Протеомика. Лидер науки XXI века

Александр Волков • 27 сентября 2016
Наконец-то удалось составить точную карту генома человека — получить бесконечный ряд «букв», в котором среди биологического мусора затеряны отдельные «слова», то бишь гены. Теперь многие специалисты заняты «биогерменевтикой» — они истолковывают добытую запись, отыскивая среди непонятицы знаков все новые гены.

    Итак, в 2000 году, наконец, удалось составить точную карту генома человека — получить бесконечный ряд «букв», в котором среди биологического мусора затеряны отдельные «слова», то бишь гены. Теперь многие специалисты заняты «биогерменевтикой» — они истолковывают добытую запись, отыскивая среди непонятицы знаков все новые гены.

    Но в поисках случайных «слов» не теряем ли мы общий смысл сказанного? Гены — всего лишь «инструкция», «схема», по которой изготовлен подлинный «продукт»: протеины, то есть белки. Говоря языком, понятным всем, гены — поваренная книга, испещренная тысячами рецептов; протеины — угощение, выставленное на стол.

    Все живое состоит прежде всего из протеинов. В процессах, протекающих внутри организмов, участвует невероятное множество белковых молекул. Для биохимиков все более понятно, что разнообразие жизненных процессов нельзя сводить исключительно к генам. Его надо искать на других стадиях — стадии клетки и стадии протеинов.

    В начале ХХ века протеины уже пребывали в центре внимания ученых. Именно тогда стало ясно, что белковые молекулы являются основными участниками жизненных процессов. Поэтому их назвали «протеинами» (от греческого слова protos, «первый», «важнейший»). Когда в середине века было доказано, что молекулы ДНК содержат уникальную информацию о структуре белка, тогда внимание ученых переключилось на генетический код живых организмов. Интерес вызывали нуклеиновые кислоты, в частности, ДНК и РНК, а вот протеины казались теперь чем-то второстепенным.

    Еще в шестидесятые годы ученые выяснили приблизительный механизм возникновения протеинов. В ядре каждой клетки тела — за исключением красных кровяных телец — содержится точная схема белковых молекул, из которых состоит организм. Если клетке нужен какой-либо белок, то соответствующий ген, спрятанный внутри ядра, изготавливает его копию.

    До недавнего времени считалось, что у каждого гена имеется схема всего одного протеина с одной-единственной функцией. Однако выяснилось, что все гораздо сложнее. Так, у человека один и тот же ген иногда участвует в синтезе нескольких белков; всего их может быть до двух десятков.

    Мало того! Многие протеины со временем меняются, и гены никак не влияют на этот процесс. Происходит это путем присоединения к белковым молекулам особых побочных групп — фосфатидов, сахаридов или ненасыщенных углеродных цепочек. Все эти события — как и образование пространственной структуры белка — никак не отмечены в каких-либо схемах (генах).

    Другими словами: даже если генетикам удастся полностью истолковать геном, они — вернемся к нашему кулинарному сравнению — окажутся в положении посетителя ресторана, который заказал несколько блюд из предложенного ему меню, но когда их список был отправлен на кухню, с удивлением и ужасом узнал, что, как бы он ни обдумывал заказ, на этой «протеиновой кухне» все равно приготовят «что-нибудь на свое усмотрение», выбрав такие добавки и приправы, что никогда не поймешь, чем тебя угостят.

    По аналогии с геномом — совокупностью всех человеческих генов — сумму всех протеиновых молекул, сформированных в клетке на определенный момент времени, называют «протеомом». Геном говорит, какие процессы могут теоретически протекать внутри данной клетки, а протеом — судя по имеющимся протеинам — подсказывает, что в самом деле происходит здесь.

    Геном имеет неизменный вид; протеом постоянно меняется. Ведь на состав белковых молекул влияют самые разные факторы: выбор питательных веществ и приток кислорода, перенесенный стресс, принятые по рецепту лекарства и даже механическое давление. Организм все время реагирует на состояние окружающей среды, пытаясь сохранить физиологическое равновесие. Внешние факторы, наоборот, стремятся нарушить его. Эти процессы связаны с синтезом, преобразованием и разложением белков. Итак, «протеом» — это опись имущества клетки по состоянию на данную минуту или моментальное фото, запечатлевшее одно из мгновений в ее жизни.

    Анализировать протеины труднее, чем подсчитать и оприходовать гены. Ведь иметь с ними дело хлопотно: они подчас изменчивы, как Протей; они меняют свою структуру вслед за изменением химической среды, да и, в отличие от ДНК, их вряд ли размножишь в пробирке. Если расшифровка генома (точнее, составление его карты) была автоматизирована так, что «с ней справилась бы любая обезьяна», как едко заметил нобелевский лауреат Джеймс Уотсон, один из открывателей структуры ДНК, то методы анализа протеинов гораздо сложнее.

    Отвечая на вопрос, для чего нужна расшифровка генома, ученые подчеркивают, что знание генов убережет человека от наследственных недугов. Однако не все болезни передаются нам по наследству. Многие никак не связаны с «родовым проклятием». Выявить эти болезни «в зародыше» можно, лишь узнав, как изменился состав белков внутри наших клеток. По этой перемене можно заранее заметить патологические процессы, начавшиеся в организме. Заметить — и вовремя вмешаться!

    Таким образом, одну из важнейших целей, стоящих перед учеными, занятыми анализом протеома, можно сформулировать так: поиск его характерных изменений, присущих различным видам заболеваний. Это облегчит диагностику, позволит, например, распознавать разные виды опухолей и поможет избежать неправильного лечения. В то же время собранные сведения дают возможность выбрать четко обоснованную терапию. Болезнь можно будет лечить применительно к анатомии и физиологии конкретного человека.

    Наконец, упомянем еще одну причину, по которой биохимики занимаются протеомом, — правда, она более всего интересна им: в клетках человека есть множество совершенно непонятных белков; лишь наблюдение за ними позволит уяснить, для чего они нужны.

    Однако, как проанализировать все те белки, что находятся внутри клетки? И как упростить этот метод, чтобы можно было быстро изучить содержимое клетки? Иначе будет потеряно время, нужное для лечения пациента!

    Чтобы увидеть состав протеома, ученые прибегают к двумерному гелевому электрофорезу. Процедура эта протекает в два этапа. Сперва протеины клетки сортируются по их заряду. Затем они попадают в гель, играющий роль сита; здесь протеины разделяют по их величине. Опытные биохимики могут таким образом разделить до десяти тысяч белков и маркировать их.

    Так можно составить что-то вроде визитной карточки данной клетки, где примерно указан состав белков. Если человек заболеет, узор пятен на «карточке» изменится. Регулярно сравнивая протеомы больной и здоровой клетки, удается оценить течение болезни и процессы, ей сопутствующие.

    Анализ можно не только проводить в лабораторных условиях вживую, но и имитировать на компьютере. Когда речь идет об уже известных протеинах, ученые располагают банком данных, где собраны сведения о том, как выглядят продукты разложения белков под действием определенного фермента. Сравнивая элементы, полученные в пробирке, с каталогом, можно установить, какой белок был в пробирке. Если ничего похожего в каталоге не нашлось, то с помощью масс-спектрометра исследуют его фрагменты.

    Впрочем, как и в случае с расшифровкой генома, слышны критические голоса. Раздражает, например, что столько денег тратится «на поиски иголки в стоге сена». Ведь, по оценкам биохимиков, в сложных клетках насчитывается до тридцати тысяч белков. Функции большинства их пока неизвестны. Как правило, из этой смеси удается выловить лишь отдельные фрагменты. Что именно попало «в сети ученых» — важнейшие для этой клетки белки или так, что-то побочное, — на этот вопрос даже бывалые ловцы не могут ответить.

    Есть предложения поступать по-другому: исследовать не состав протеинов, а то, как они реагируют с другими протеинами. Это поможет понять функции отдельных белковых молекул. Действуя по такой схеме, можно довольно быстро выявить важнейшие протеины, отвечающие за ту или иную болезнь. Как только удастся это сделать, можно изготовить лекарство, которое справится с болезнью. По этому методу уже разработаны ингибитор для сдерживания протеолитических ферментов, используемый при лечении больных ВИЧ-инфекцией, а также ингибитор, используемый при лечении больных гриппом.

    Однако фантазии биохимиков простираются дальше. Им грезятся индивидуальные лекарства. Если прежде врачи могли лишь осторожно предлагать больному тот или иной препарат, надеясь, что он ему поможет, то теперь ученые полагают, что, зная содержание протеинов, можно в точности подобрать лекарственные компоненты, которые нужны именно этому пациенту.

    Конечно, пока еще не ясно, сбудутся ли эти мечты, однако уже сейчас фармацевты, генетики и коммерсанты объявили протеомику одним из важнейших направлений науки ХХI века.

    Среди тех, от кого ожидают успехов, возможно, окажется и Крейг Вентер — человек, сделавший имя на расшифровке генома. При исследовании протеинов он вновь намерен положиться прежде всего на компьютеры. «Мы станем идентифицировать до миллиона белков в день» — уверенно заявил он.

    Настанет время, и в человеке будет исчислен всякий атом, и каждой частице найдено будет подобающее место?