CC BY
28
- Несколько слов из истории вопроса. Первые исследования по оценке взаимодействия геномов с чужеродной - экзогенной ДНК были выполнены нашим институтом еще в 80-х гг. прошлого века. Начиная с 1990-х гг., стали проводиться работы по изучению структуры и роли в функционировании геномов растений некоторых про-
НАУКОЕМКИЕ ГЕНОМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА СЛУЖБЕ ОБЩЕСТВА
Геномные биотехнологии, основанные на знаниях о структуре и функционировании генетического аппарата клетки, представляют наиболее высокотехнологичный сегмент науки. Этот сектор требует немалых ресурсов, как финансовых, так и интеллектуальных. Но и отдача от вложений велика: геномные технологии предлагают принципиально новые и высокоэффективные подходы в изучении и использовании биологических процессов и систем, широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. С достижениями Института генетики и цитологии НАН Беларуси в этой области в предверии 55-летнего юбилея организации знакомит ее директор, член-корреспондент Руслан ШЕЙКО.
стых повторяющихся последовательностей ДНК. В это время в сотрудничестве с немецкими коллегами была создана моле-кулярно-генетическая карта ржи. Получены оригинальные результаты в области генной инженерии растений. В начале 2000-х институт прочно перешел на молекулярный уровень исследований, а геном-
ные технологии стали приоритетными в его деятельности. Началось изучение фундаментальных основ и разработка геномных биотехнологий для сельского хозяйства и продовольственной отрасли, здравоохранения, спорта, охраны окружающей среды. Полученные результаты стали активно внедряться в различные
отрасли с высокими экономическими, социальными и экологическими показателями.
С 2017 г. в рамках научно-технической программы Союзного государства «ДНК-идентификация» Институт генетики и цитологии занимается проблемами применения геномных технологий в криминалистике.
- ГЛАВНОЙ ЦЕЛЬЮ НАУКИ ЯВЛЯЕТСЯ ПОЛУЧЕНИЕ НОВЫХ ЗНАНИЙ. КАКОВЫ УСПЕХИ ИНСТИТУТА
В ЕЕ ДОСТИЖЕНИИ ЗА ПОСЛЕДНИЕ 5 ЛЕТ?
- С использованием технологии высокопроизводительного секвенирования - N08, институт перешел на новый уровень изучения структуры и функции генов различных видов
организмов. Получена и размещена в международной базе данных СеиБаик информация о нуклеотидной последовательности генов ряда сельскохозяйственных растений и их патогенов. Расширены представления о генах, определяющих хозяйственно-ценные признаки сельхозкультур и животных, в частности КРС, свиней. Совместно с российскими коллегами начата реализация про-
екта по изучению генофонда красных пород крупного рогатого скота на основе полногеномного секвенирования.
С применением полноэкзом-ного секвенирования (WES) и разработанных в институте кастомных панелей генов описаны молекулярно-генетические профили распространенных заболеваний человека - сердечнососудистых, костно-мышечной системы, органов дыхания и др.
ВЕХИ ИСТОРИИ
ИНСТИТУТА
1965-2020
■ Институт генетики и цитологии является ведущим научно-инновационным центром республики в области геномики и геномных биотехнологий. В его составе 10 лабораторий, оснащенных современным оборудованием, что позволяет проводить исследования на самом высоком уровне и в соответствии с глобальными трендами. В этом юбилейном для института году завершена его комплексная модернизация, введены в строй два высокотехнологичных лабораторных блока для геномного анализа.
и Интеллектуальный капитал института -это слаженный коллектив, с признанными в мире и в стране научными школами. В институте работают 2 академика (Л.В. Хотылева, А.В. Кильчевский), 3 члена-корреспондента (Р. И. Шейко, О.Г. Давыденко, Н.И. Дубовец), 6 докторов биологических наук (Р.И. Гончарова, С.Е. Дромашко, А.П. Ермишин, И.Б. Моссэ, О.Ю. Урбанович, М.Н. Шаптуренко) и 39 кандидатов наук.
и Высокий уровень качества исследований института подтверждается прохождением межлабораторных сличений в таких организациях, как Референсный институт биоаналитики Германии, Федеральный научный центр животноводства им. академика Л.К. Эрнста Российской Федерации, Национальный институт измерений Великобритании, а также Федеральная служба инспекции зерна Министерства сельского хозяйства США.
и О международном признании свидетельствует и тот факт, что институт с 2017 г.
Выявлены неизвестные ранее мутации, описаны генетические варианты и их комплексы, ассоциированные с возникновением и тяжестью протекания этих болезней, определены их частоты в белорусской популяции. Изучены молекулярные нарушения в генах, связанных с процессами ангиоге-неза, а также в протоонкоге-нах и генах-супрессорах опухолевого роста у белорусов.
Исследованы индивидуальные особенности генома человека, которые позволяют с высокой вероятностью определить по образцу ДНК индивида его возраст и фенотипические признаки - цвет волос, глаз. Все это исключительно важно для понимания функции генов.
Сегодня вектор исследований смещается от простой идентификации генов к анализу их функциональной активности
и изучению межгенных взаимодействий. В этом направлении получены оригинальные данные по эпигеномной изменчивости и ее роли в процессах опухолеобразования и старения, при формировании психоэмоционального статуса человека. Найдены эпи-геномные маркеры риска возникновения и прогноза течения таких заболеваний, как рак легких и рак мочевого пузыря.
входит в Международное общество генетики жи вотных, а также является членом и основателем Сети центров по аквакультуре в Центрально-Восточной Европе.
■ Многолетний опыт работы в области биобезопасности, изучения и сохранения генетических ресурсов позволил институту стать Национальным координационным центром био безопасности и Национальным координационным центром по вопросам доступа к генетическим ресурсам и совместного использования выгод. Обе структуры успешно осуществляют взаимодействие с международными организациями, а их сотрудники, признанные эксперты по профилю своей деятельности, проводят стажировки для специалистов Республики Беларусь, стран Восточной Европы и Средней Азии, выполняют международные проекты. За последние 5 лет были реализованы крупные контракты с Секретариатом конвенции ООН о биологическом разнообразии, ПРООН-ГЭФ, ЮНЕП-ГЭФ, Центрально-Европейской инициативой.
Сотрудники лаборатории нехромосомной наследственности за работой на электронном микроскопе (доктор биологических наук А.Н. Палилова за микроДрпом; слева: член-корреспондент О.Г. Давыденко), конец 1970-%-начало 1:980-х гг.
В последние годы в мире с появлением технологии СМ8РК-Са8 наметился прогресс в области геномного редактирования и синтетической биологии. В институте начаты работы по фундаментальным аспектам преобразования геномов растений путем трансформации и модификации целевых генов на базе СШ8РК. Планируется использование СМ8РК./Са8-на-правленного нокаута генов, тех-
нологии СМ8РК./Са8-пирамиди-рования генов для улучшения хозяйственно-ценных характеристик растений и животных.
I- РУСЛАН ИВАНОВИЧ, А КАКОВЫ ПРАКТИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ ИНСТИТУТА?
- Коллектив Института генетики и цитологии ежегодно создает десятки объектов новой научной продукции, включая
геномные технологии, методики ДНК-тестирования, методические рекомендации и инструкции, сорта и перспективные сорто-образцы, ДНК-коллекции, базы данных о геномной информации. Это позволяет говорить не об отдельных успехах, а о высокой результативности нашей работы и о сложившихся брендах института в области геномных технологий. Прежде всего речь идет о генетическом паспорте здоровья,
и Только за последние 5 лет разработки молодых ученых института дважды (в 2017 и 2018 гг.) побеждали в республиканском конкурсе «100 идей для Беларуси» в номинации «Медицина, фармация, медицинская техника и технологии». В 2019 г. Премию НАН Беларуси им. академика В. Ф. Купревича для молодых ученых получила Анна Щаюк за цикл работ «Молекулярно-генетические основы патогенеза немелкоклеточного рака легкого у пациентов, проживающих на территории Беларуси». В этом же году доктору биологических наук Ирме Моссэ и кандидату биологических наук Павлу Морозику присуждена премия НАН Беларуси в области биологических наук за цикл работ «Разработка и внедрение молекулярно-генетических технологий оценки предрасположенности к социально значимым заболеваниям и высоким спортивным достижениям».
и Благодаря профессионализму, опыту, высокой творческой активности сотрудников институт имеет хорошие научные и научно-практические показатели. По результатам деятельности в 2018 и 2019 гг. он дважды был занесен на Доску почета Национальной академии наук Беларуси.
и Ежегодно более 100 научных статей института вносятся в базы Scopus, Web of Sciences и РИНЦ. Из них за последние 5 лет более 50 публикаций вышло в изданиях с высоким импакт-фак-тором. Это важный показатель уровня работ и их признания. Работы сотрудников получают также высокую оценку на престижных международных мероприятиях. В текущем году на Всемирном конгрессе по остеопорозу Павел Морозик стал обладателем премии Всемирной ассоциации осте-опороза и Академии по изучению редких скелетных заболеваний - «IOF - SRD Academy Award2020». Его работа была посвящена геномным исследованиям несовершенного остеогенеза и описывала впервые выявленные мутации у пациентов с указанным заболеванием.
и Полученные молодыми учеными награды свидетельствуют о хорошей кадровой работе. В Институте функционируют 4 филиала кафедр белорусских университетов, активно работает Совет молодых ученых, ведется подготовка кадров высшей квалификации по отрасли «биологические науки»: докторантура и аспирантура
в основе которого лежат созданные методики молекулярно-генетиче-ского анализа, позволяющие получать уникальную персональную информацию о вариантах генов, ассоциированных с предрасположенностью к различным заболеваниям человека, включая сердечно-сосудистые патологии, венозные тромбозы, остеопороз. Сюда также входит диагностика генетически обусловленных причин невынашивания беременности,
мужского бесплодия. Выявление генетических особенностей человека позволяет проводить профилактику или раннюю диагностику болезней, правильно выбирать методы лечения, учитывать индивидуальный ответ на лекарственные средства. Количество выданных генетических паспортов жителям республики, а также иностранным гражданам превысило 17 тыс. Эти результаты - наш вклад в формирование 4П медицины.
Брендом института стала генетическая сертификация животных, растений и продукции животного и растительного происхождения. Разработки в рамках этого направления используются для проведения молекулярно-генетической экспертизы сельскохозяйственных животных с целью подтверждения их происхождения, получения данных о носительстве генетически
по специальностям генетика, молекулярная генетика, биотехнология, в том числе бионано технологии. За последние 5 лет обучение в аспи рантуре прошли 15 человек и в докторантуре - 2. Количество защищенных за этот же период кандидатских и докторских диссертаций 11 и 2 соответственно.
■ Институт является правообладателем 48 патентов Республики Беларусь и зарубежных стран. В силе поддерживается 6 патентов на изобретение, включая 1 за рубежом, 2 патента на со рта растений и 2 свидетельства на товарный знак. Новые заявки на изобретения оформляются ежегодно. Заключено 4 лицензионных договора. Однако с учетом специфики выполняемых иссле дований основным объектом интеллектуальной собственности института остается авторское право. Это информационные ресурсы в виде баз геномных данных и реестров, сформированных по результатам молекулярно-генетических исследований различных видов организмов. Их общее количество превышает 70 единиц.
детерминированных заболеваний или о генах, ассоциированных с продуктивностью скота. Нами проводится анализ мясной продукции с целью выявления фальсификации, ведется молекулярно-генетиче-ская экспертиза ценных видов рыб и продукции из них. Растет спрос на генетическую паспортизацию сельскохозяйственных растений, в том числе со стороны таможенных органов республики. Объемы услуг по ДНК-тестированию для животноводства и растениеводства постоянно увеличиваются.
Национальным достоянием стали коллекционные фонды Республиканского банка ДНК человека, животных, растений и микроорганизмов, в котором содержится более 14 тыс. ценных образцов ДНК и биологического материала, в том числе болезнь-ориентированные коллекции по ряду мультифактор-ных заболеваний человека, коллекции ДНК спортсменов белорусских команд, образцы редких и исчезающих видов растений и животных. Использование биобанка позволяет исключить этап сбора биологического материала, что существенно экономит время и материальные ресурсы на проведение исследований. В рамках деятельности биобанка проводятся работы по получению эталонных ДНК-штрихкодов для видов флоры и фауны Республики Беларусь, формируется рефе-ренсная база ДНК-штрихкодов.
Также брендом института являются работы по биобезопасности генно-инженерной деятельности. С 1998 г. на институт возложены функции Национального координационного центра биобезопасности, главные задачи которого - обеспечение эффективного участия
Республики Беларусь в решении глобальной проблемы сохранения биологического разнообразия и координация деятельности, связанной с безопасностью использования достижений современной биотехнологии в рамках Конвенции о биологическом разнообразии. Более 10 лет институт оказывает услуги по определению наличия генетически модифицированных ингредиентов в продовольственном сырье, пищевых продуктах и кормах. С 2014 г. по разрешению Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь и по договорам с организациями-заказчиками на выделенном специализированном опытном поле нами проводятся испытания трансгенных растений при их первом высвобождении в окружающую среду.
I- БИОИНФОРМАТИКА -
ТРЕНД НАШЕГО ВРЕМЕНИ.
КАКИЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ
ЗАДАЧИ ОНА РЕШАЕТ?
- Работы института традиционно связаны со статистическим анализом данных биологических исследований. Еще в 1960-1970 гг. под руководством академика Петра Фомича Рокицкого в институте была основана школа математической генетики, выпущена серия работ и учебников по биологической статистике. Учебники выдержали ряд переизданий, по ним велась подготовка нескольких поколений биологов.
В настоящее время, в эру геномных биотехнологий, генерируются массивы данных, которые нуждаются в специальной биоинформатической обработке. В начале 2019 г. в Институте генетики и цитологии
сформирован сектор биоинформатики, осуществляющий биоинформационное сопровождение исследований с использованием высокопроизводительного секвенирования ДНК и РНК, при котором генерируются огромные массивы данных. Это позволило нам стать информационной и координационной площадкой по вопросам биоинформатики для заинтересованных организаций биологического и медицинского профиля. В планах - создание на базе института республиканской биоин-форматической платформы.
Биоинформатические разработки института применяются в первую очередь для обработки данных высокопроизводительного секвенирования клинических экзомов пациентов, позволяя выявлять патогенные генетические варианты. Предполагается, что в дальнейшем сектор будет решать задачи биоинфор-матического сопровождения всех геномных исследований института, а также оказывать услуги сторонним организациям по обработке геномных данных.
- КАКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ГЕНОМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛАНИРУЕТСЯ РАЗВИВАТЬ В ИНТЕРЕСАХ МЕДИЦИНЫ 4П?
- Ведутся исследования по ряду ключевых направлений медицинской геномики. В их числе изыскания в области нутри-геномики - науки о том, как правильно питаться, чтобы жить
в гармонии со своими генами и избегать серьезных проблем со здоровьем вследствие неусвояемости или непереносимости отдельных пищевых ингредиентов. В нашем институте разра-
ботаны методики исследования генов, ответственных за непереносимость лактозы, глютена или алкоголя, а также за особенности в потребности в витаминах или за вкусовые предпочтения.
Работы в области геномики старения и долголетия сосредоточены на генах, кодирующих ферменты антиоксидантной защиты, а также ответственных за метаболизм липидов и углеводов, водно-солевой баланс. По этому направлению мы тесно сотрудничаем с итальянским университетом города Кальяри и Всемирным сообществом долголетия, расположенными в автономном регионе Сардиния, известном своими долгожителями. Эти два вектора научных изысканий выполняются под руководством академика А.В. Кильчевского.
Несколько лабораторий института сконцентрировались на геномике для педиатрии - новой и быстро развивающейся научной области. Изучаются молекулярные основы возникновения таких заболеваний у детей, как бронхо-легочная дисплазия, ожирение, наследственные патологии почек и мочевыводящих путей и большая группа аутоиммунных болезней. Перечень юве-нильных заболеваний, включенных в исследования, будет расти.
Планируется расширить работы по фармакогеномике и геномике онкологических заболеваний.
- КАК СКЛАДЫВАЮТСЯ ОТНОШЕНИЯ С РЕАЛЬНЫМ СЕКТОРОМ ЭКОНОМИКИ
И КАК ИДЕТ ПРОЦЕСС ВНЕДРЕНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ДОСТИЖЕНИЙ?
- Тесно сотрудничаем на этапах создания и внедрения про-
дукции с ведущими организациями республики по следующим отраслям экономики: сельское хозяйство (по направлениям «растениеводство» и «животноводство»), здравоохранение и спорт, охрана окружающей среды, криминалистика. Среди наших постоянных партнеров - НПЦ по земледелию, НПЦ по животноводству, Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, Институт рыбного хозяйства, Белорусский государственный медицинский университет, Белорусская академия последипломного образования, РНПЦ «Мать и дитя», РНПЦ онкологии и медицинской радиологии им. Н.Н. Александрова, РНПЦ «Кардиология», РНПЦ спорта и туризма, Республиканский центр остеопороза и др. Среди новых творческих контактов хочется отметить плодотворное сотрудничество в рамках программы Союзного государства «ДНК-идентификация» с Государственным комитетом судебных экспертиз.
Внедрение результатов НИР в качестве услуг генетического тестирования человека, растений и животных осуществляется также в Республиканском центре геномных биотехнологий - инновационной структуре института. Спектр и объемы работ в центре ежегодно растут.
I- КАКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ В РАБОТЕ ИНСТИТУТА ВЫ ВИДИТЕ?
- В наших планах еще много нереализованного - есть над чем работать даже по тем направлениям, которые мы сейчас развиваем; необходимо расширять объекты исследований и области примене-
ния результатов, осуществлять поиск фундаментальных закономерностей. В планах расширить спектр услуг по геномной селекции растений и животных, ДНК-штрихкодирова-нию, генетической паспортизации для персонифицированной медицины, по нутригено-мике и геномике долголетия, развить геномные исследования для целей криминалистики. Мы видим большие возможности в реализации таких новых сфер исследований, как гено-мика интеллекта, микробиома человека и почвы, эмбриональная селекция животных. Решению научно-практических задач в интересах аграрного производства будет способствовать создание в институте в 20212024 гг. экспериментально-лабораторного комплекса для геномной биотехнологии растений.
В целом научная стратегия развития института на среднесрочную перспективу - осуществление комплексного подхода к изучению живых организмов на основе интеграции молекулярных, клеточных, популяционных и био-информатических подходов.
Наукоемкие геномные технологии не остаются в лабораториях, они входят в нашу повседневную жизнь. Задача Института генетики и цитологии - поставить их на службу обществу и экономике.
Подготовила Тамара ЧЕРНЫШЕВА
