Как «суперорганизмы» эволюционируют в ответ на токсичную среду

Ученые давно знают, что многие болезни имеют сильный генетический компонент, но лишь недавно стали уделять больше внимания роли взаимосвязи генетики и окружающей среды.

Изучение того, как на генетическую функцию влияет созданный человеком экологический стресс на уровне популяции, — предмет курса «Экологическая геномика», который пройдет в MDI Biological Laboratory в Бар-Харборе, штат Мэн, с 30 июля по 6 августа. Курс привлекает аспирантов и молодых ученых со всего мира, интересующихся этой новой междисциплинарной специальностью, включающей элементы биологии, биостатистики, экологии, эволюции, информатики и токсикологии.

Ученые в области экологической геномики выявляют гены и регуляторные паттерны, которые позволяют некоторым организмам быстро адаптироваться к резким изменениям окружающей среды — реакции, известной как фенотипическая пластичность. Эта область имеет огромное значение для здоровья человека, позволяя разрабатывать инструменты для выявления и лечения людей, восприимчивых к экологическим стрессорам — например, к астме в городе с высоким уровнем загрязнения воздуха.

Новая дисциплина стала возможной благодаря достижениям в геномике, автоматизированной подготовке образцов и другим технологиям, позволяющим проводить масштабные исследования реакции целых популяций на экологические вызовы на генетическом уровне.

«Некоторые организмы могут переносить вредные воздействия окружающей среды, в то время как другие становятся жертвами болезней, — говорит старший научный сотрудник лаборатории Бенджамин Л. Кинг, доктор философии, один из руководителей курса. — Цель экологической геномики — понять, почему. Люди также сталкиваются с экологическими проблемами — от загрязненного воздуха до зараженной воды и меняющегося образа жизни. Мы можем использовать понимание, полученное на модельных организмах, чтобы помочь нам адаптироваться к нашей быстро меняющейся среде».

Курс «Экологическая геномика» — один из трех курсов по биоинформатике, предлагаемых лабораторией в этом году. Растущая область биоинформатики стала фокусом образовательных программ учреждения в ответ на необходимость разработки новых вычислительных инструментов для анализа больших объемов данных, генерируемых благодаря развитию «высокопроизводительных» инструментов.

В ходе курса будут сравниваться генетические «отпечатки» двух популяций Daphnia pulex (водяной блохи). Участники оценят генетические различия между популяциями, которые процветают в озере рядом с Садбери (Онтарио), сильно загрязненном из-за закисления и тяжелых металлов (меди и никеля) в результате многолетней промышленной плавки — так называемые супер-дафнии — и теми, что живут в чистой среде.

Дафния используется как модель, потому что эти крошечные ракообразные являются важными участниками здоровых экосистем, устойчивы к экологическим вызовам и широко используются как тестовый вид в регуляторных токсикологических тестах и исследованиях функциональной геномики.

Цель курса — предоставить обучение экспериментальным подходам, лабораторным методам и вычислительным моделям, которые участники смогут применить в своих собственных исследованиях влияния окружающей среды на генетику. Курс, впервые предложенный в 2010 году, был первым в мире, предлагавшим практическое обучение в этой области.

Курс частично финансируется через инициативу Национальных институтов здоровья (NIH) «Большие данные для знаний» (Big Data to Knowledge, BD2K), целью которой является улучшение понимания здоровья и болезней человека путем разработки новых инструментов, повышения доступности данных и улучшения подготовки в области науки о больших данных.