«Мы ищем там, где много неизвестного»

Владимир Щур

Фото из личного архива

Вычислительные методы анализа древних и современных геномов позволяют исследовать процесс формирования генетического разнообразия популяций, изучать историю их перемешиваний и миграций, прослеживать формирование адаптации к окружающей среде. Международная лаборатория вычислительной и статистической геномики НИУ ВШЭ использует математические подходы и генетические данные для решения широкого спектра задач в различных областях — от антропологии и эпидемиологии до криминалистики. Новостная служба «Вышка.Главное» побеседовала с заведующим лабораторией Владимиром Щуром о ее работе.

— Когда была создана лаборатория?

— Летом 2019-го, вскоре после моего возвращения из Университета Беркли, в Вышке проходил конкурс по созданию международных лабораторий. Вместе с моим американским руководителем Расмусом Нильсеном, одним из ведущих специалистов по популяционной геномике и статистике, мы решили принять участие в конкурсе, и наш проект одобрили. Мы начали работать в начале 2020 года, Расмус стал научным руководителем лаборатории, но, к сожалению, из-за пандемии и обстановки в мире лично побывать в Москве пока не смог. Тем не менее мы продолжаем активно сотрудничать и работаем над совместными проектами.

— Каковы главные направления деятельности лаборатории?

— Изначально планировался акцент на популяционной и эволюционной геномике человека, разработке новых математических методов анализа генетических данных для изучения геномной истории человека. Это фундаментальная исследовательская работа. Но затем случилась пандемия, и мы включились в изучение геномной эпидемиологии вируса SARS-CoV-2: скорости его распространения, направлений его перемещений по вирусным геномам. Сейчас в лаборатории сформировалась сильная команда в области эволюции вирусов и бактерий. Кроме того, наши интересы охватывают приложения популяционной геномики в медицине, криминалистике и сельском хозяйстве.

— В числе ключевых тем исследований лаборатории названы моделирование эволюции популяций и оценка их численности и миграционной активности. На чем вы акцентируете внимание?

— В основном мы пытаемся восстановить прошлое. Есть разные масштабы времени, куда мы можем заглядывать: от миллионов лет назад до последних 10 поколений. Например, изучаются последствия архаичной интрогрессии — примешивания неандертальцев, параллельной ветви древнего человека, вымерших около 40 000 лет назад, к предкам современного человека. Это интересно, поскольку все люди неафриканского происхождения имеют 1–2% (а иногда более) генома неандертальского происхождения. А у части жителей Азии и Океании есть компоненты генома денисовского человека (назван по месту нахождения первых останков: Денисовской пещеры на Алтае. — Ред.).

Мы в лаборатории разработали пакет методов для изучения архаичной интрогрессии. Например, он позволяет повысить точность и снизить трудоемкость классификации архаичных участков — неандертальские или денисовские. Но самым интересным применением нашего метода является определение комплексной истории происхождения неандертальских участков, например, у современных мексиканцев. Метод позволяет одновременно учесть архаичную интрогрессию и современное перемешивание — формирование населения на американском континенте в постколумбов период.

— Что удалось выяснить?

— У мексиканцев примерно половина генома европейского происхождения, 45% — коренного индейского населения и около 5% — из Африки. Перемешивание людей разного происхождения происходило около 20 поколений. Мы первыми в мире научились не только находить участок неандертальского происхождения в современных мексиканских геномах, но и предсказывать, пришел ли этот участок через Европу или через коренных жителей.

Фото: iStock

Зачем это надо? Когда европейцы переехали в Америку и начали перемешиваться с местным населением, элементы неандертальских геномов у европейцев оказались в новой среде. За короткое в историческом плане время мы можем увидеть ход естественного отбора по специфической компоненте. Например, если 5% европейцев на конкретном участке генома имеют неандертальское происхождение, а у мексиканцев на том же участке евронеандертальское происхождение выросло до 20%, то это является сильным свидетельством, что мексиканцам оно почему-то эволюционно выгодно. Точные биологические причины и механизмы мы установить не можем, но можем подсказать экспериментаторам, что здесь стоит поискать функциональную значимость.

— Как естественный отбор влияет на генетическое разнообразие? Какие компоненты внешней среды в первую очередь влияют на гены?

— Известный пример адаптации к среде — вариант гена EPAS1 у тибетцев. Они унаследовали его от денисовцев, он позволяет им адаптироваться к высокогорью. Другой пример — адаптация к диете. Например, у европейцев развилась способность усваивать лактозу, а у северных народов — адаптация к жирной пище в условиях экстремальной среды. У одного из племен Океании, занимающегося нырянием, увеличилась селезенка. Это позволяет членам племени надолго задерживать дыхание и проводить экстремально длительное время под водой.

— Что вам удалось выяснить в исследованиях вируса COVID-19 и других инфекций?

— Вместе с Георгием Базыкиным из Сколтеха (он изучал эволюцию патогенов) мы опубликовали работу по изучению раннего периода распространения COVID-19 в России. Мы выяснили, что большая часть завозов была из Европы и совпала с путешествиями россиян на праздники — 23 Февраля и 8 Марта.

В нашем распоряжении оказалось 211 геномов коронавируса, собранных в России в марте — апреле 2020 года. По нашим оценкам, они являлись следствием более чем 60 завозов. Интересно, что из Китая, родины коронавируса, произошел всего один из них. А вот кластеры завозов из Европы укоренились и начали активно распространяться по нашей стране.

Интересная ситуация с одной из версий ковида, дельтой, занесенной в Россию летом 2021 года. Ее, казалось бы, должны были импортировать много раз, но выяснилось, что все или почти все случаи свелись к одному завозу, и сработал «эффект основателя» — когда один особо «удачливый» человек привез вирус в Россию и всего двух недель хватило, чтобы 90% случаев заболевания сходились к единственному носителю, приехавшему в Москву.

После работ по ковиду геномная эпидемиология стала существенным направлением нашей работы. Мы изучаем генетику патогенов туберкулеза, гриппа, гепатита, энцефалита.

Можно говорить, что мы изучаем, как популяция вирусов адаптируется к человеку. Например, мы исследовали историю длительного заболевания ковидом человека с иммунодефицитом: у него возникала целая популяция вирусов, способная мутировать, меняться и т.д.

Для детального изучения нам нужны базы данных с геномом вируса и геномами людей, особенно с симптомами болезней, вызванных патогенами.

— Насколько активно в деятельности лаборатории участвуют студенты и аспиранты?

— У нас работают 6 опытных исследователей, а остальные 15 человек, младшие научные сотрудники и стажеры-исследователи, — аспиранты и студенты. Причем даже студенты бакалавриата публикуются в топовых журналах списка А. Мы студентов считаем полноценными коллегами и даем им реальные исследовательские задачи. Студенты ФКН работают над задачами, в которых на первый план выходят математическое моделирование и программирование, а студенты биофака обрабатывают экспериментальные данные. Все зависит от направления подготовки и индивидуальных интересов. Все наши исследования междисциплинарны, даже в задаче математического моделирования студент в какой-то момент столкнется с анализом данных, а биологу, вероятно, придется разбираться со статистикой. Главное, что если студент работает с самоотдачей, то курсовая может стать статьей в хорошем журнале.

— Результаты работы используются в учебном процессе?

— С сентября в программе «Прикладная математика и информатика» мы запустили специализацию «Анализ данных в науках о жизни». Это специализация на эволюции, где будут сочетаться эволюционная биология и методы вероятностного моделирования и анализа данных.

Фото: Высшая школа экономики

— Расскажите о конференции в Китае, в которой участвовали сразу несколько сотрудников вашей лаборатории. Где она проводилась, какова ее тематика?

— Конференция SMBE — крупнейшая в молекулярной биологии и эволюции, ее проводит одноименное международное сообщество.

В этом году в конференции участвовали 1200 ученых, она проводилась летом в Пекине. Это была замечательная возможность встретиться с иностранными коллегами, с которыми мы давно не виделись. Мы убедились, что наши исследования находятся на мировом научном фронтире. Было много вопросов, обратной связи, желания использовать наши методы. От нашей лаборатории было три доклада: два устных, мой и Анфисы Поповой, и один постерный, его представляла Галина Клинк.

— Можно ли говорить, что участие в конференциях позволяет российским ученым продолжать нормальное взаимодействие с зарубежными коллегами?

— Для меня — однозначно да. Это возможность лично пообщаться со многими коллегами, обсудить проблемы, тормозившие написание статей, наметить новые точки сотрудничества.

— Какими вы видите перспективы вашей работы?

— С одной стороны, мы видим и понимаем вызовы времени, когда от нас ждут прикладных и коммерциализируемых разработок. С другой стороны, наша команда — команда исследователей, занимающихся фундаментальной наукой и убежденных в ее ценности. Специфика фундаментальных исследований заключается в том, что мы ищем там, где много неизвестного. Мы не можем заранее предсказать, что найдем и когда полученное знание превратится в востребованную технологию. При этом наши научные интересы и компетенции связаны и с социально значимыми задачами, такими как, например, исследование лекарственной устойчивости микобактерии туберкулеза, геномная эпидемиология. Поэтому планы — сохранить высокий уровень фундаментальных исследований, одновременно развивая прикладные направления.