Протеом

 

Что наши гены? Они - лишь "схема", по которой изготовлена подлинная загадка природы: протеины, то есть белки. В процессах, протекающих в организме, участвует множество белковых молекул. Однако исследование белков - задача куда более сложная, чем расшифровка генома.

"Забудем про геном" - было сказано недавно на одной из научных конференций. А ведь, в самом деле, расшифровка человеческого генома была "детской игрой" по сравнению с новым проектом биологов: они хотят описать все белки, содержащиеся в организме человека, и понять, как те функционируют, как взаимодействуют друг с другом.Еще недавно расшифровка генома преподносилась СМИ как вершинное достижение биологии. Однако само по себе знание последовательности генов не дает представления о том, как функционирует организм. Более того, знание генома не позволяет нам ничего сказать о том, чем живет клетка - любая клетка человеческого организма.

Сами по себе гены - лишь инструкция по сборке белковых молекул. Тех молекул, из которых, как из кирпичиков, сложены любые наши клетки. Тех молекул, что преобразуют усвоенные организмом компоненты пищи в энергию. Тех молекул, чьим радением организм растет и старится. Тех молекул, из-за дефицита или избытка которых мы болеем.

Лишь "функциональное исследование генома", то есть составление атласа протеинов, их опись, позволит понять, какую же роль они играют в человеческой клетке. Вслед за расшифровкой генома необходима расшифровка протеома. Иначе этот "пульт" так и останется игрушкой в наших руках.

Термин "протеом" предложил в 1994 году австралийский исследователь Марк Уилкинс. Под ним подразумевают полный комплект протеинов, имеющихся в организме, - совокупность белковых молекул, вырабатываемых им. Эти молекулы управляют всеми обменными процессами, протекающими в организме, идет ли речь о пищеварении, выработке гормонов или электрическом возбуждении нервных клеток. Любые молекулярно-биологические процессы, происходящие в организме, отражаются в протеоме.Исследование протеома - крупный международный научный проект. В 2001 году для работы над ним была создана международная Организация протеома человека (Human Proteome Organization / HUPO). Особое внимание участников проекта вызывают белковые молекулы крови, печени и головного мозга.

В эти исследования включается и большой бизнес - прежде всего, крупные фармацевтические компании. Создаются многочисленные фирмы, занятые изучением человеческих белков. Их руководители спешат выступить с громкими заявлениями. Так, американская фирма "Myriad Proteomics" уже объявила, что до конца нынешнего 2004 года завершит анализ всего протеома человека.

Независимые эксперты относятся к таким заявлениям скептически. Тому есть ряд причин.

Протеом - величина не постоянная. Это геном был "книгой, содержавшей около трех миллиардов букв". И все: буквы стояли на своих - отведенных им природой - местах. Здесь же - в протеоме - все непрестанно меняется. Если и сравнивать протеом с книгой, то с книгой, которая пишется у вас на глазах. Попробуйте подсчитать в ней количество знаков! Автор то дописывает что-то, то хлестко черкает.

Почти в каждой клетке число белковых молекул все время меняется. Синтезируются новые молекулы и распадаются существовавшие. Состав белков зависит от пола и возраста человека, от его кулинарных пристрастий, от времени суток и многих других причин. В клетках различных органов тела свой состав белков: в головном мозге он один, в поджелудочной железе - другой, в дельтовидной мышце - третий. Протеом раковой клетки разительно отличается от протеома здоровой клетки.

До сих пор неизвестно, сколько белковых молекул имеется в человеческом организме вообще и в клетках тела, в частности. Так, банк данных "Human Protein Index", созданный калифорнийской фирмой "Large Scale Proteomics" - ведущей фирмой в области исследования протеома, - располагает сведениями о 115 тысячах белков, содержащихся в образцах 157 тканей. Банк данных SWISS PROT содержит сведения о 8500 хорошо исследованных белков.

Еще лет пять назад некоторые специалисты заявляли, что составить атлас человеческих белков сравнительно легко. "Сколько их там? Тысяч тридцать-сорок?" Теперь мы знаем, что по инструкциям, хранящимся в 40 тысячах наших генов, синтезируется от полумиллиона до миллиона белковых молекул. Многообразие белков явно недооценивалось. Их в десятки раз больше, чем генов. Это - первая неожиданность, с которой столкнулись исследователи протеома.

Биологические основы этого многообразия различны. Долгое время считалось, что схема изготовления белков проста: один ген - один вид молекул РНК; один вид молекул РНК - один сорт белков. Догадка оказалась ошибочной. Более половины генов человека "отвечают за выпуск" сразу нескольких молекул РНК. Следовательно, в них заложена инструкция по изготовлению нескольких белков. Вот и сюрприз номер два. На этом сюрпризы не кончились. Каждая клетка - как удельный князек - самовольно распоряжается имуществом, оказавшимся на ее территории, изменяя белковые молекулы до неузнаваемости: там красуется довесок из углеводорода, там - лишний сахар, там - украшеньице из фосфора. Так появляются все новые разновидности белков.

Итак, исследование протеинов - задача не из легких и не из дешевых. Анализ структуры белка обходится сейчас в 50 - 200 тысяч долларов.

Зачем они нам нужны? Зачем мы изучаем протеины?

Затем, что мы болеем. Сравнив состояние человека с идеальным протеомом, можно понять, какими недугами он страдает. Ведь многие наши болезни вызваны нарушениями синтеза протеинов - их перепроизводством или дефицитом.

Так, при болезнях, вызванных неправильным обменом веществ, в организме наблюдается недостаток белковых молекул или они бездействуют.

Если белков слишком много или они проявляют повышенную активность, человек может заболеть раком.

Некоторые болезни, например, "коровье бешенство", вызваны появлением в организме дефектного белка - приона (от английского выражения protein infectious, "инфекционный протеин"). Как только в организм человека попадет этот "белок-убийца", начинается его копирование, что приводит к гибели жертвы.

Анализ протеома - это путь к созданию новых лекарств. Особенно важно сравнение протеомов здоровых и больных людей. Это позволит понять, какие белковые молекулы играют ключевую роль в развитии тех или иных заболеваний. Все предстоит открыть и понять заново. Как вырождаются клетки, когда человек болен раком желудка? Как стареют клетки сердечной мышцы? Что происходит при воспалении хряща? Как меняются ткани тела под воздействием гормонов? Выявив эти изменения, можно улучшить диагностику заболеваний и проводить целенаправленное лечение.

Американские исследователи Ланс Лиотта и Эмануэль Петрикоин разработали тест, позволяющий выявить рак яичников на ранней стадии. В основе теста - использование протеинового чипа.

По прогнозам специалистов, в ближайшем будущем появится аналогичный тест для выявления рака поджелудочной железы.

Особый интерес вызывает плазма крови. Предположительно, в ней содержатся все виды протеинов, выработанных организмом человека. А значит, любая болезнь, перенесенная нами, оставляет мету в крови - в этом архиве, хранящемся в наших жилах. Недавно под эгидой HUPO стартовал проект по исследованию плазмы крови.

Со временем все эти разрозненные данные о дефектах белковых молекул будут собраны воедино - в образе особой виртуальной клетки. Если ввести в эту модель новое лекарство, то экран тут же покажет, насколько оно эффективно и каковы побочные последствия применения данного лекарства.