Протеомика

Прошло чуть больше года с тех пор, как учёные, стоящие во главе двух конкурирующих между собой научных групп – Фрэнсис Коллинз (Francis Collins), руководитель финансируемого рядом государств многонационального проекта HUGO, и Крэг Вентер (Craig Venter), шеф частной американской фирмы Celera Genomics, – объявили о том, что начинают публиковать результаты своих многолетних исследований, направленных на прочтение генома человека.

Как известно, организм любого животного состоит из клеток, и в ядре каждой клетки имеется один и тот же свойственный данному биологическому виду набор генетической информации. Этот набор и именуется геномом. Известие о расшифровке генома человека вызвало поистине массовую эйфорию как в научных кругах, так и среди широкой общественности. Газеты, радио и телевидение не поскупились на громкие слова, возвестив о «прочтении Книги жизни», о «наступлении новой эры в биологии и медицине» и даже о «приближении полной и окончательной победы человечества над болезнями».

Сегодня учёные оценивают успехи, достигнутые геномикой, более трезво. Дело в том, что инвентаризация всех генов – а именно в этом и состояла цель проекта «Геном человека» – дала совершенно неожиданный и поистине сенсационный результат: генов в человеческом организме оказалось в несколько раз меньше, чем предсказывали специалисты. Учёные исходили из цифры в 120 или даже в 140 тысяч, в действительности же количество генов не превышает 30-35 тысяч. Это заставило биологов кардинально пересмотреть свои представления о том, как функционирует организм на внутриклеточном уровне. Ранее они полагали, что каждый из генов отвечает за синтез одного белка, который, в свою очередь, обеспечивает ту или иную функцию в организме человека. Теперь же стало ясно, что каждый ген кодирует множество разных белков и что именно сложнейшим взаимодействием белков и определяются все функции организма. Это привело к смене приоритетов в науке: несколько потеснив геномику, изучающую гены, на первый план выдвинулась протеомика, изучающая белки. По аналогии с HUGO (Human Genome Organisation) – международным проектом по картированию генома – уже создан консорциум HUPO (Human Proteome Organisation), задача которого – инвентаризация всех белков и картирование протеома, то есть полного набора протеинов в организме человека.

Профессор Йенс Шнайдер-Мергенер (Jens Schneider-Mergener), научный руководитель берлинской биотехнологической фирмы Jerini Bio Tools GmbH, поясняет:

Шнайдер-Мергенер: В нашем организме существует значительно больше ста тысяч различных протеинов, и все эти протеины выполняют отведённую им природой функцию посредством взаимодействия между собой. Иными словами, они коммуницируют друг с другом, как бы общаются на своём особом языке: соприкасаются, перемещаются, трансформируются и благодаря этому осуществляют невероятное количество самых разных функций. Выявить эти взаимосвязи – вот в чём состоит задача, и решить её призвана протеомика.

Похоже, профессор Шнайдер-Мергенер относится к числу оптимистов в том, что касается оценки количества имеющихся в организме человека белков и объёма предстоящих исследовательских работ.

Профессор Ангелика Гёрг (Angelika Görg), руководительница рабочей группы «Протеомика» в Техническом университете Мюнхена, называет ещё более впечатляющие цифры:

Гёрг: Нужно иметь в виду, что геном человека состоит примерно из 30-ти или 35-ти тысяч генов, и каждый из них, по нашим сегодняшним представлениям, кодирует в среднем 10 разных протеинов. Таким образом, мы легко выходим на цифру в 300 тысяч протеинов. Конечно, они никогда не присутствуют в одной клетке все одновременно. Напротив, набор белков, скажем, в клетке печени весьма существенно отличается от набора белков в клетке почки или в нервной клетке. Отсюда следует, что изучение протеома – задача несравненно более сложная, чем просто анализ генома. Зато её решение сулит гораздо больше прикладных применений.

Понятно, что создание полной базы данных по протеинам позволит совершить прорыв в деле разработки новых, возможно – революционных, лекарственных препаратов. Именно этот аспект заставил сменить ориентиры и компанию Celera Genomics – одного из лидеров в расшифровке генома. Вице-президент компании Сэмьюэл Броудер (Samuel Broder) говорит:

Броудер: Фирма Celera намерена направить свои усилия на мир протеомики – с тем, чтобы соотнести информацию о геноме с информацией о протеинах. Только это и позволит нам нащупать новые пути для разработки более эффективных лекарственных препаратов. Конечно, при этом мы будем активно привлекать для сравнения данные, добытые в процессе расшифровки генома человека. У нас нет ни малейшиих сомнений в том, что будущее принадлежит новым направлениям исследований, которые мы называем сравнительной геномикой и сравнительной протеомикой.

Тут следует отметить, что ряд учёных вообще сомневаются в возможности создания полной карты протеома человека – уж слишком необозрима задача. Профессор Шнайдер-Мергенер, несмотря на весь свой оптимизм, быстрых успехов тоже не ждёт:

Шнайдер-Мергенер: На расшифровку генома человека ушло около 10-ти лет, и при этом применялись относительно простые технологии. Собственно говоря, это была одна единственная технология – так называемое секвенирование. Для того чтобы расшифровать весь спектр невероятно сложных взаимодействий протеинов между собой, потребуется использование множества различных технологий и методик. Совершенно очевидно, что такая работа займёт гораздо больше времени, чем картирование генома.

Наглядным примером, иллюстрирующим особую роль белков в организме, могут служить гусеница, куколка и взрослая бабочка. Разительно непохожие друг на друга, они представляют собой, однако, различные стадии развития одного и того же организма и, следовательно, содержат в каждой своей клетке совершенно идентичный набор генов. А все жизненные процессы в организме и его превращения диктуются набором белков. Таким образом, активная жизнь клеток определяется протеинами, а гены содержат лишь план этой активности. Поэтому нет ничего удивительного в том, что сегодня более 95-ти процентов всех имеющихся на рынке лекарственных препаратов воздействуют именно на белки. Биохимики фармацевтических концернов надеются, что протеомика даст им возможность на систематической основе выявлять новые целевые протеины и тем самым поспособствует созданию новых медикаментов и диагностических методик.

Сегодня учёные во многих лабораториях мира усиленно занимаются анализом и инвентаризацией белков и сопоставлением их с геномом. Профессор Маттиас Манн (Matthias Mann), сотрудник факультета биохимии и молекулярной биологии университета Южной Дании в городе Оденсе, поясняет:

Манн: Мы расщепляем протеины на пептиды – фрагменты белков, удобные для анализа, – дробим их и впрыскиваем в камеру масс-спектрометра. Таким путём мы определяем аминокислотный состав белков. А выяснив последовательность аминокислот, мы уже можем более или менее точно соотнести белки с геномом и сказать, какими генами какие белки кодируются.

Понятно, что это очень упрощённое описание аналитической методики. К тому же последовательность чередования аминокислот в пептидных цепях определяет лишь так называемую первичную структуру белка. Между тем, ничуть не менее важную роль играют вторичная и третичная структуры, описывающие пространственную форму белковой молекулы. Достаточно напомнить, что, скажем, неизлечимые на сегодняшний день губчатые энцефалопатии – коровье бешенство у животных и болезнь Кройцфельдта-Якоба у человека – вызываются аномальными протеинами – прионами, которые отличаются от нормальных лишь несколько иной трёхмерной структурой при полной идентичности аминокислотного состава. Но и это ещё далеко не всё: помимо аминокислотного состава и пространственной структуры белка, учёным важно знать, когда он синтезируется в клетке, когда и где он активен, насколько он активен и как взаимодействует с другими белками.

Впрочем, несмотря на то, что исследовательские работы в области протеомики по-настоящему ещё только разворачиваются, кое-где уже проводятся и опыты прикладного характера. Цель таких экспериментов – изучение диспропорции между оболочечными белками в патологически изменённых тканях и создание на этой основе новых методов диагностики и терапии. Профессор Маттиас Манн поясняет:

Манн: Один из экспериментов состоит, например, в том, чтобы сравнить набор белков в оболочке здоровой клетки молочной железы с набором белков в оболочке раковой клетки. Такой сравнительный анализ позволяет выяснить, какие отклонения в белковом составе являются типичными для опухолевой ткани. А на основе этих данных можно попытаться получить антитела, способные эффективно подавлять раковые клетки.

Пока технологии такого сравнительного анализа трудоёмки и дороги, однако разработчики аппаратуры хорошо понимают стоящую перед ними задачу. Доктор Андреа Робитцки (Andrea Robitzki), научная сотрудница Института биомедицинской техники имени Фраунгофера, говорит:

Робитцки: Фармацевтическая промышленность сегодня уже умеет выявлять и анализировать генетические изменения, чреватые развитием той или иной болезни. Теперь ей необходимы технологии, которые позволяли бы производить анализ синхронно протекающих процессов в автоматизированном режиме – чтобы изучить механизмы функционирования протеинов, биологически активных веществ и токсичных соединений в живых организмах и системах.

Для решения этих задач учёные Института биомедицинской техники создали новый биосканнер, позволяющий на одном микрочипе размещать и синхронно анализировать десятки и сотни тысяч проб тканей. Андреа Робитцки говорит:

Робитцки: Инновация состоит в том, что система может производить длительные неразрушающие наблюдения и измерения в режиме реального времени. Иными словами, такой биосканнер сразу же даёт вам полную информацию о том, какое воздействие та или иная субстанция оказывает на живой организм.

Этот прибор идеально подходит и для выявления диспропорции белков в тканях. Профессор Ангелика Гёрг:

Гёрг: Тогда, обнаружив признаки повышенного содержании каких-то протеинов, скажем, в клетке печени, свидетельствующие о заболевании, я могу обратиться к сыворотке крови и попытаться найти в ней соответствующие белки, способные служить в качестве маркера – ведь наша задача, в конечном счёте, состоит в том, чтобы предложить медикам простую и надёжную методику ранней диагностики.

Ещё один медицинский аспект протеомики, уже сегодня вышедший из сферы фундаментальных исследований и занимающий практиков-клиницистов, касается различной восприимчивости людей к лекарственным препаратам. Скажем, одну и ту же противораковую химиотерапию одни пациенты переносят легко, у других она вызывает тяжелейшие побочные реакции. Решающую роль тут играют наследственные факторы. Так, например, по данным профессора Юргена Брокмёллера (Jürgen Brockmoeller), возглавляющего отделение клинической фармакологии университетской клиники в Гёттингене, у 8-ми процентов населения Германии в силу тех или иных генетических дефектов не вырабатывается в печени фермент с труднопроизносимым названием дебризоквингидроксилаза. Он относится к системе цитохром Р450 и носит обозначение 2D6. Основная функция этого фермента – катализ биохимических реакций, в ходе которых происходит расщепление ядовитых веществ.

Профессор Юрген Брокмёллер поясняет:

Брокмёллер: Лица, у которых отсутствует этот фермент, вот эти самые 8 процентов населения Германии, и составляют подавляющее большинство пациентов, страдающих побочными реакциями на многие препараты.

Иными словами, у этих больных расщепление содержащихся в медикаментах биологически активных веществ происходит столь медленно, что уже самые незначительные дозы лекарств вызывают тяжёлые интоксикации. Это касается, прежде всего, психосоматических препаратов и средств, понижающих кровяное давление. Гёттингенские исследователи надеются, что количество отравлений медикаментами удастся резко сократить с помощью специальных генетических тестов. Профессор Юрген Брокмёллер говорит:

Брокмёллер: В общем и целом следует отметить, что в Германии до 20-ти тысяч пациентов ежегодно умирают из-за побочных действий лекарственных препаратов. Причём в подавляющем большинстве случаев речь идёт о таких побочных действиях, которые лечащий врач и предвидеть-то не мог, то есть о сугубо индивидуальных аллергических реакциях. И часть этих реакций, как мы надеемся, в будущем удастся предотвращать благодаря генетическим тестам. Лица, склонные к определённым аллергическим реакциям из-за особенностей своей генной структуры и в силу этого подверженные повышенному риску, получат в генетическом паспорте соответствующую отметку, и лечащий врач либо вообще не выпишет им опасный для них медикамент, либо выберет иную, гораздо меньшую дозировку.

Однако встречаются в медицинской практике и прямо противоположные случаи. Дело в том, что примерно у 3-х процентов жителей Германии слишком высокая концентрация цитохрома 2D6 в печени. Это приводит к тому, что лекарственные препараты разлагаются и выводятся из организма слишком быстро. Таким пациентам врачи вынуждены назначать повышенные дозировки медикаментов, иначе они просто не действуют. По мнению учёных, за индивидуальные реакции на лекарственные препараты ответственны многие гены и – соответственно – многие белки. Помимо ферментов, это, прежде всего, мембранные протеины, то есть белки, выполняющие функцию рецепторов на поверхности оболочки клетки. Профессор Брокмёллер полагает, уже через 10 лет у каждого пациента будет генетический паспорт, отражающий его индивидуальные особенности:

Брокмёллер: Получат ли такой паспорт все пациенты или – что представляется мне более разумным – поначалу лишь те из них, кто принимает много разных препаратов, или, может быть, те, кто страдает болезнями, лечение которых чаще всего связано с тяжёлыми побочными реакциями, – это вопрос практической реализации важной и полезной идеи. Главное – вовремя распознать уже самые первые симптомы передозировки, тогда тяжёлых последствий можно будет избежать.

Такая паспортизация пойдёт на пользу не только пациентам, но и системе здравоохранения: во-первых, отпадёт необходимость терапии тяжёлых побочных реакций, во-вторых, окажется ненужным приём многих дорогих препаратов. Правда, прилагаемые к лекарствам памятки-инструкции с показаниями и противопоказаниями станут ещё длиннее и сложнее. Профессор Брокмёллер говорит:

Брокмёллер: Это уже постепенно начинается: в инструкциях по применению некоторых препаратов, полученных нами в последние год-два, уже содержится информация о специфических ферментах системы цитохром Р450, например, о генетически полиморфных ферментах 2D6 или 2C9. Естественно, мы надеемся, что такая информация поможет нам свести побочные реакции к минимуму.