Генетическое разнообразие внутри человеческого организма гораздо богаче и сложнее, чем когда-либо предполагалось. Каждая клетка, начиная с момента оплодотворения, может накапливать уникальные вариации ДНК — соматические мутации, которые приводят к явлению, известному как соматический мозаицизм. Это естественное явление проявляется в том, что в разных тканях одного и того же человека могут присутствовать разные генетические варианты, что открывает новые перспективы для понимания внутреннего биологического разнообразия. Одним из наиболее амбициозных и масштабных проектов, направленных на изучение этого явления, стала сеть Somatic Mosaicism across Human Tissues Network (SMaHT), которая систематически изучает соматические мутации в 19 различных тканях от 150 здоровых доноров. Эта инициатива не только направлена на создание обширного каталога таких мутаций, но и на разработку новых технологий их выявления и оценки влияния на фенотип организма.
Смысл изучения соматического мозаицизма заключается в понимании того, как клетки накапливают изменения в своих геномах в течение жизни. Мутации могут возникать по множеству причин: от ошибок в процессе репликации ДНК и повреждений под воздействием внутренних ферментативных процессов до влияния внешних факторов, таких как излучение или химические вещества. При этом большинство этих изменений нейтральны и не проявляются в фенотипе, но некоторые из них могут вызвать серьезные последствия — вплоть до развития заболеваний, включая рак и неврологические расстройства. Несмотря на то что описывать генетические различия между отдельными людьми стало возможным благодаря крупным международным проектам, вроде Проекта человеческого генома, 1000 Genomes и Pangenome, внутреннее разнообразие одного организма досконально изучено не было. Основная сложность состоит в том, что соматические мутации встречаются лишь в небольшой части клеток тканей, что делает их выявление очень сложным задачей.
Для их обнаружения требуются высокочувствительные методы секвенирования, а также сложные вычислительные алгоритмы, способные отличить реальную мутацию от технических артефактов. Проект SMaHT именно и сосредоточен на преодолении этих технических барьеров. Используя сочетание глубокого секвенирования генома с короткими и длинными рид-ами, а также инновационные методы вроде дуплексного секвенирования и анализа отдельных клеток, учёные могут не только выявить мутации с низкой частотой встречаемости, но и проследить их возникновение и распространение по тканям организма. Особое внимание уделяется изучению вариаций, которые способны к клональному расширению, то есть увеличению популяции клеток с определённой мутацией, что может служить предвестником болезненных изменений. Разнообразие видов мутаций, охватываемое сетью SMaHT, включает точечные замены нуклеотидов, вставки и делеции, структурные вариации, такие как большие дупликации, инверсии и транслокации, а также мобильные элементные вставки.
Они различаются по механизму возникновения, влиянию на клеточный функционал и распределению по тканям и возрастным категориям доноров. Например, скорость накопления точечных мутаций в клетках варьируется от примерно трёх изменений на клеточное деление во время ранних эмбриональных стадий до 20-40 мутаций в год в тканях с высокой регенерационной способностью, таких как кишечник или кровь. Наблюдения, сделанные в ходе исследования SMaHT и родственных проектов, доказывают, что не все ткани одинаково восприимчивы к мутациям, и что некоторые органы показывают более выраженные признаки клональных расширений. Например, обнаружено, что в эндометрии (слое матки) примерно 90% клеток в возрасте около 60 лет несут мутации, которые могут быть связаны с ростом и регенерацией ткани, тогда как в тканях кишечника с более высокой скоростью мутаций таких клонов значительно меньше. Это связано с особенностями обновления тканей, от которых зависит вероятность успешного закрепления мутации и ее расширения.
Особое значение проект SMaHT придаёт развитию технологий, способных повысить точность и чувствительность обнаружения соматических изменений. Метод дуплексного секвенирования, проверяющий обе цепи ДНК, позволяет снизить ошибку секвенирования до уровней, при которых можно уверенно обнаруживать очень редкие мутации. Анализ отдельных клеток помогает изучать не только общую нагрузку мутаций, но и их сопряжённые эффекты, позволяя строить родословные клеток и понимать динамику развития организма с точки зрения геномных изменений. Научно-практическое значение проекта состоит и в том, что он основывается на изучении здоровых доноров, не страдающих от известных заболеваний. Это позволяет создать референсный набор данных, на основе которого можно будет сравнивать соматические мутации в различных патологиях, например, раке, возрастных и воспалительных заболеваниях.
Таким образом, SMaHT становится фундаментальным ресурсом для понимания того, какие изменения в костюме генома тканей являются частью нормы, а какие приобретены в результате патологии. Кроме того, сеть уделяет большое внимание разнообразию доноров, стремясь придать выборке баланс по возрасту, полу, этнической принадлежности и социальному положению. Это становится важным шагом на пути к обобщаемости результатов и предупреждению смещения данных, имеющего место в прошлом из-за недостаточного представления некоторых групп населения в геномных исследованиях. SMaHT также тесно сотрудничает с рядом других крупных геномных программ, включая Human Pangenome Reference Consortium и PsychENCODE. Это позволяет интегрировать данные и использовать передовые достижения в области геномики, биоинформатики и функциональной оценки мутаций.
Вместе с созданием обширных данных, сеть активно разрабатывает и внедряет новые аналитические инструменты и алгоритмы, повышающие точность выявления мутаций и их функциональной аннотации. Выравнивание к донор-специфичным геномам, вместо общего эталонного, уже демонстрирует лучшие результаты при обнаружении изменений, особенно в сложных и повторяющихся участках ДНК. Исследования SMaHT проливают свет на фундаментальные биологические процессы с момента зачатия – взаимосвязь между соматическими мутациями и эпигенетическими изменениями, динамику клеточного развития и пространственную организацию тканей. Кроме того, проект помогает оценить, как соматические вариации могут повлиять на развитие заболеваний, включая редкие генетические синдромы, нейродегенеративные заболевания и проблемы сердечно-сосудистой системы. С учётом огромного масштаба человеческого организма и числа клеток, вся сумма соматических мутаций превышает квадриллионы, что многократно превосходит размер человеческого генома.
