Разделы геномики. Министерство здравоохранения и социального развития российской федерации

Вы, возможно, потратили кучу денег на абонемент в спортзал и уже купили модные кроссовки и новый комплект спортивной одежды. Но больше, чем вероятно, что вы при этом забыли о таком важном предмете гардероба, как спортивный бюстгальтер. Между тем, он просто необходим для поддержания эластичности тканей молочной железы во время занятий спортом.

Зачем нужен спортивный бюстгальтер

Вы можете удивиться – неужели это так важно? Но факты говорят сами за себя. Грудь в основном состоит из жировой ткани и поддерживаются главным образом кожей и хрупкими святками, называемыми связками Куперса. Если грудь ничем не поддерживается или поддерживается неправильно, во время повторяющихся ритмичных движений или сильной встряски во время спорта ткани груди растягиваются.

Результат - кошмар каждой женщины - провисание груди. Спортивные движения без корректной поддержки также могут вызвать дискомфорт и боли в груди, в верхней части спины и плеч. Было подсчитано, что без бюстгальтера при активных движениях грудь в среднем перемещается вверх и вниз на 8,5 см. Ношение обычного бюстгальтера уменьшает это явление на 32%. Спортивный бюстгальтер уменьшает колебание, по крайней мере, еще на 20%.

Австралийское исследование

Ученые из университета Wollongong и Австралийского института спорта в Канберре (Австралия) проверяли, как защищают грудь во время тренировок спортивные бюстгальтеры. Было обнаружено, что спортивный бюстгальтер уменьшает вертикальное движение груди на 50% во время тренировок, по сравнению с занятиями спортом без него.

Обычные бюстгальтеры сокращают амплитуду вертикального движения и дискомфортные ощущения в 2 раза меньше, чем спортивные бюстгальтеры. Таким образом, исследования на сегодняшний день утверждают, что для того, чтобы уменьшить боль, дискомфорт и движение груди во время тренировок, взрослые женщины обязательно должны носить хорошо сидящий спортивный бюстгальтер. А британские исследователи доказали, что даже грудь первого раз мера (34А) нуждается в дополнительной поддержке во время спортивных тренировок.

Хорошо сидящий спортивный бюстгальтер выполняет ряд функций, когда женщина тренируется. К ним относятся сохранение груди на месте и распространение веса груди более равномерно, предотвращение деформаций и провисания тканей.

Типы спортивных бюстгальтеров

Существуют два основных их типа:

• те, которые сжимают грудь, делая ее зрительно более плоской. Они подтягивают грудь ближе к телу.
• те, которые держат грудь примерно так же, как и обычный бюстгальтер.

Тип спортивного лифчика, который вам необходим, зависит от того, насколько высока ваша активность во время тренировок, и от размера вашей груди. Как правило, сжимающие бюстгальтеры обеспечивают достаточную поддержку для женщин с первым размером груди (32-34А), которые делают все виды физических упражнений, и для женщин со вторым размером (34-36B), которые практикуют не слишком интенсивные тренировки.

Для всех остальных второй тип бюстгальтера является более подходящим. Некоторые спортивные бюстгальтеры также бывают разных уровней воздействия. Как правило, если вы занимаетесь спокойным видом спорта, такими как йога и пилатес, вам нужен бюстгальтер с более низким уровнем поддержки. Но если вы занимаетесь интенсивным спортом, таким как аэробика, верховая езда, бег трусцой, прыжки со скакалкой, то вам нужен максмально защищающий грудь бюстгальтер.

Геномикой принято называть одну из ветвей молекулярной биологии. Ее основная задача заключена в так называемом секвенировании геномов - изучении нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК. Не нужно путать слова генетика и геномика. Генетика занимается изучением механизмов наследственности и изменчивости и, а геномика призвана применять на практике полученные знания.

Из истории науки

Как особое направление, геномика сформировалась в 1980-1990 годах наряду с появлением первых проектов по секвенированию (молекулярного анализа) геномов отдельных видов живых организмов.

Структура геномики

В современной геномике бытует множество подразделов:

• сравнительная или эволюционная геномика, она основывается на сравнении организации и содержимого геномов всевозможных живых организмов;
• функциональная геномика - детально изучает функции генов, их воздействие на активность генов;
• структурная геномика занимается секвенированием, молекулярным анализом ДНК, на основе которого создаются и могут сравниваться геномные карты.

Зачем нужна геномика

Большое количество геномов разнообразных микроорганизмов (в основном, патогенных) удалось расшифровать. Это позволяет изыскивать здесь гены-мишени лекарств и изготовлять новые лекарственные препараты.

Геномику воспринимают, как необъемлемую, необходимую часть общей биологии. Она способна вносить свой немалый вклад в развитие биотехнологии, сельского хозяйства, здравоохранения.

В одной из больниц Висконсина малыш в возрасте трех лет длительное время ставил врачей в тупик. У этого ребенка кишечник отек, был практически полностью пронизан абсцессами. Этот ребенок к трем годам пережил больше ста хирургических операций. Малышу привели полный сиквенс кодирующих участков его ДНК, выявили виновника заболевания – белок XIAP, который участвует в сигнальных цепях запрограммированной клеточной смерти, играет очень важную роль в иммунной системе. Благодаря постановке диагноза физиологи рекомендовали провести трансплантацию костного мозга. Малыша удалось спасти.

Еще один случай был связан с нетипичной раковой болезнью у тридцати девятилетней женщины, которая страдала от острой формы промиелоцитарной лейкемии. При проведении стандартных методов диагностики заболевание выявить не удавалось. Но при выполнении расшифровки и анализа генома раковых клеток удалось выяснить, что крупный участок пятнадцатой хромосомы переместился на семнадцатую, что провоцировало определенное генное взаимодействие. Больной назначили адекватное лечение.

Исследования пространственной конфигурации ДНК в хромосомах выявили неожиданные, раннее не известные причины возникновения тяжелых заболеваний человека.

Возникновение трехмерной геномики

На протяжении десятков лет, прошедших с момента доказательства генетической функции ДНК в сороковых годах прошлого века, неизменными оставались представления о том, что мерой расстояния между любыми участками генома является протяженность разделяющей их цепочки ДНК. Сегодня мы знаем, что способность ДНК образовывать петли и другие сложные структуры дает возможность генам и элементам генома, управляющим их работой (энхансерам), оказываться поблизости друг от друга в пространстве клеточного ядра даже в том случае, если они разделены протяженным фрагментом ДНК (рис. 1).

В последние годы появились новые подходы, позволяющие изучать укладку геномной ДНК в клеточном ядре. Это положило начало развитию научного направления, которое мы называем 3D-геномикой. С использованием этих подходов было показано, что хромосомы разделены на структурно-функциональные блоки - топологически-ассоциированные домены (ТАДы). Участки генома из одного ТАДа контактируют друг с другом гораздо чаще, чем с участками из соседних ТАДов. Это позволяет представить ТАДы в виде относительно плотных клубков нити ДНК. Результаты многих экспериментов показывают, что энхансер может активировать только гены, расположенные внутри того ТАДа, где находится его энхансер.

Таким образом, ТАДы играют важную роль в управлении активностью генов. Удаление или повреждение участка ДНК, разделяющего соседние ТАДы, приводит к тому, что энхансер получает возможность активировать гены, которые в норме в данном типе клеток не работают, что может стать причиной возникновения тяжелых заболеваний, таких как рак, нарушения формирования половых признаков и сбои в развитии эмбриона (рис. 2).

Где проходят границы между ТАДами

Но что обеспечивает разделение генома на ТАДы? В решение этой проблемы существенный вклад внесла работа нашей лаборатории. Мы обнаружили, что организация геномной ДНК в ТАДы происходит в значительной мере самопроизвольно и регулируется простыми физическими законами. Наша работа была опубликована в престижном международном журнале Genome Research (Sergey V. Ulianov et al. Active chromatin and transcription play a key role in chromosome partitioning into topologically associating domains // Genome Research , 2016, 26, p. 70–84, doi: 10.1101/gr.196006.115 ), о ней много говорилось в прессе и по телевидению.

Суть полученных нами результатов заключается в том, что границами ТАДов являются участки генома, содержащие гены «домашнего хозяйства», то есть гены, которые работают во всех типах клеток и необходимы для поддержания базовых клеточных процессов. В силу ряда особенностей такие участки генома не могут сворачиваться в плотные глобулы, тем самым создавая «разметку» границ ТАДов в геноме.

Важно отметить, что помимо разнообразных биохимических техник мы использовали моделирование структуры генома на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов», и результаты этого моделирования ясно свидетельствуют о том, что укладка ДНК в индивидуальных клетках может достаточно сильно различаться (рис. 3).

От клеточных популяций к индивидуальным клеткам

В подавляющем большинстве случаев в молекулярно-биологических исследованиях приходится использовать сотни тысяч и даже миллионы клеток в каждом эксперименте. Это связано с тем, что в одной клетке очень мало исследуемых молекул, и это крайне затрудняет работу с ними.

Например, количество геномной ДНК в одной клетке человека примерно в сто тысяч миллионов раз меньше одного грамма. Работа с большим количеством клеток приводит к тому, что получаемые в эксперименте результаты, как правило, позволяют установить средние, наиболее типичные значения тех или иных параметров клеточной физиологии. В известном смысле полученную информацию можно уподобить «средней температуре» пациентов по больнице.

Работа с большим количеством клеток, как правило, позволяет установить средние, наиболее типичные значения тех или иных параметров клеточной физиологии, вроде «средней температуры» пациентов по больнице

Безусловно, результаты исследований клеточных популяций позволили установить много важных закономерностей. Однако хорошо известно, что клетки одного типа, выглядящие под микроскопом совершенно одинаково, могут различаться по множеству разных биохимических параметров. Исследования работы генома в одной отдельно взятой клетке становятся «трендом времени» и уже внесли значительный вклад в понимание того, как осуществляется тонкая настройка работы нашего генома. Такие исследования влияют и на развитие медицины, поскольку, например, события, происходящие в очень малой доле клеток, могут давать старт развитию опухолей. При изучении больших клеточных популяций такие события часто остаются незамеченными.

В совместной работе с австрийскими и американскими коллегами мы разработали новый экспериментальный подход, позволяющий анализировать укладку генома в индивидуальных клетках. С использованием этого подхода нам удалось построить существенно более детализированные карты пространственной организации генома мыши, чем в предшествующей работе английских коллег. Анализ полученных данных, недавно опубликованный в журнале Nature (Ilya M. Flyamer et al. Single-nucleus Hi-C reveals unique chromatin reorganization at oocyte-to-zygote transition // Nature , 544, p. 110–114, doi: 10.1038/nature21711 ), предоставил веские доказательства того, что укладка генома существенно различается в индивидуальных клетках (рис. 4). По нашему мнению, это свидетельствует о том, что в клетке происходит постоянный перебор различных геномных конфигураций - а это обеспечивает возможность быстрой адаптации к изменяющимся условиям внешней среды.

Хотя в большинстве случаев проще изучать клеточную популяцию, чем индивидуальные клетки, для некоторых типов клеток популяционный подход вообще невозможно использовать, потому что эти клетки являются, что называется, штучным товаром. С использованием разработанного нами экспериментального подхода нам удалось изучить укладку отцовского и материнского геномов в оплодотворенных яйцеклетках (зиготах) мыши.

Совершенно неожиданно для себя мы обнаружили, что укладка геномной ДНК в материнском ядре в зиготе принципиально отличается от укладки генома в ядрах любого другого типа клеток. В ядрах всех прочих исследованных клеточных типов активные и «молчащие» области генома пространственно обособлены друг от друга. В материнском ядре зиготы же, напротив, этого не наблюдается. Наши результаты позволяют предположить, что конфигурация генома в материнском ядре является наиболее базовой, соответствующей так называемому состоянию тотипотентности, позволяющему в ходе эмбрионального развития из одной зиготы получить множество разных клеточных типов взрослого организма.

Пространственная конфигурация генома в материнском ядре является наиболее базовой и позволяет из одной оплодотворенной яйцеклетки получить множество разных типов клеток взрослого организма

3D-геномика и медицина

Обсуждая новости молекулярной биологии, как правило, говорят о «геноме человека», или «геномной ДНК человека», или просто о ДНК. Но важно помнить, что в ядрах клеток нашего организма в норме содержится 23 разных молекулы ДНК, каждая из которых формирует отдельную хромосому, а все вместе они называются геномом.

Каждая хромосома уложена определенным, уникальным для нее способом и располагается в ядре клетки так, что территория, ею занимаемая, практически не пересекается с территориями соседних хромосом. В этом смысле ядро клетки напоминает земной шар, на котором есть много государств, занимающих определенные территории и разделенные границами.

История знает множество примеров того, как события в одном государстве напрямую влияли на жизнь в соседних странах и на мировую политику в целом. В ядре клетки ситуация примерно такая же. Любые изменения в работе генома, будь то запуск или подавление экспрессии отдельных генов, или появление лишних копий тех или иных хромосом, могут повлиять на работу генов, напрямую не затронутых этими изменениями и расположенных в других хромосомах-государствах.

В качестве примера можно указать на результаты работы, которую мы выполнили с нашими французскими коллегами из Института Гюстава Русси. Результаты этой работы были опубликованы в престижном гематологическом журнале Blood (Jeanne Allinne et al. Perinucleolar relocalization and nucleolin as crucial events in the transcriptional activation of key genes in mantle cell lymphoma // Blood , V. 123, 13, p. 2044–2053, doi: 10.1182/blood-2013-06-510511 ). Мы убедительно продемонстрировали, что простое перемещение определенного гена из одной области ядра в другую может быть причиной его активации в клетках, где в норме он не работает. Это запускает целый каскад процессов, который в конечном итоге ведет к развитию лейкоза, первопричины которого было бы сложно понять без учета пространственной структуры генома.

Простое перемещение определенного гена из одной области ядра в другую может запустить целый каскад процессов, который в конечном итоге ведет к развитию лейкоза

Важно отметить, что раскрытие принципиально нового механизма возникновения лейкозов создает базис для разработки путей борьбы с этими заболеваниями. Таким образом, исследования укладки геномной ДНК в ядре представляют интерес не только для фундаментальной науки, но и для медицины, способствуя более глубокому пониманию механизмов возникновения различных патологий.

Эволюция 3D-организации генома

Поскольку трехмерная организация генома является одним из инструментов регуляции экспрессии генов, она должна быть объектом эволюции. В недавно выполненной в нашей лаборатории работе, результаты которой опубликованы в высокорейтинговом международном журнале (Anastasia P. Kovina et al. Evolution of the Genome 3D Organization: Comparison of Fused and Segregated Globin Gene Clusters // Molecular Biology and Evolution , V. 34, 6, p. 1492–1504, doi: 10.1093/molbev/msx100 ), мы показали, что это действительно так.

На примере эволюции кластеров глобиновых генов позвоночных животных мы продемонстрировали, что по мере их продвижения по эволюционной лестнице происходит утрата линейных сегментов хромосом, тогда как сегменты, организованные в глобулы (клубки), сохраняются (рис. 5).

Скорее всего, это связано с тем, что у млекопитающих существенно возрастает роль удаленных энхансеров в регуляции активности генов. Установление контактов между такими энхансерами и подконтрольными им генами обеспечивается за счет образования петель ДНК, что и приводит к образованию глобул.

У позвоночных животных по мере их продвижения по эволюционной лестнице происходит утрата линейных сегментов хромосом, тогда как сегменты, организованные в глобулы (клубки), сохраняются

Заключительные заметки

В последние годы отечественную науку часто и во многих случаях обоснованно критикуют за низкую продуктивность и отсутствие работ международного уровня. Выше мы показали, как одна сравнительно небольшая отечественная лаборатория успешно работает на переднем крае мировой науки, систематически публикуя результаты своей работы в наиболее престижных международных журналах.

Выполнение всех перечисленных выше работ стало возможным благодаря большому гранту Российского научного фонда. Значение такой поддержки трудно переоценить не только потому, что она обеспечивает возможность выполнения дорогостоящих работ, таких как массированное секвенирование ДНК. Но еще важнее то, что такие гранты обеспечивают возможность привлечения к работе молодых исследователей, предоставляя разумную альтернативу отъезду за рубеж. По крайней мере в экспериментальной биологии адресная поддержка коллективов, работающих на мировом уровне (о чем можно судить по наличию публикаций в рейтинговых международных журналах), является, на наш взгляд, наиболее прямым путем к возрождению науки в нашей стране.