Протеомика против геномики, или Cломанный ключ к наследственным болезням

Не так давно завершена грандиозная научная работа - расшифровка генома человека, что стало возможно только в связи с развитием биоинформатики и компьютерных технологий.

Как выглядит сегодня «идеальная» схема устранения наследственного дефекта? Возьмем самый простой случай: у человека не работает какой-нибудь фермент - белок, участвующий в проведении некой химической реакции. Он вырабатывается в клетке, но в неправильной форме, которая не годится для осуществления необходимой функции. Чтобы преодолеть недуг, нужно добавить нормального белка, и все придет в норму.

Можно пойти и другим путем: узнать, поломка какого гена привела к образованию дефектного белка и заменить этот ген нормальным, так что клетки под его «руководством» начнут сами вырабатывать нужный белок.

А теперь представим, что у нас есть в руках ключ к устранению наследственного дефекта - полученная путем расшифровки генома и хранящаяся в международном банке данных информация о структуре нужного гена, который контролирует выработку «правильного» белка. Сравнив эти данные со структурой гена больного человека, что при наличии методик, использовавшихся для расшифровки генома, не составляет особого труда, мы легко можем узнать, какова причина, приводящая к заболеванию. Держа в руках этот ключик, попробуем открыть им те замки, которые существуют в природе и выяснить, насколько хорошо он работает.

Сюрпризы от генов

Напомним, что расшифровка генома - это разбор «по буквам» наследственной информации, заложенной в ДНК. Сегодня ученым известна последовательность нуклеотидов - «букв» генетического кода - практически во всех генах.

С помощью компьютерного анализа последовательностей нуклеотидов выяснено, какие части гена являются чем-то вроде прослоек, а какие содержат информацию о кодируемых белках. Это очень важно, поскольку при синтезе белка используется не вся информация, «списанная» с ДНК на другую информационную молекулу, РНК, а лишь ее значимая часть. На ее матрице синтезируется последовательность аминокислот - основа белка, его первичная структура. Сложив «в ряд» такие значимые участки РНК, как кубики в детском паровозике, можно было бы определить разницу между нормальным и дефектным белком. Но это удается не всегда.

Дело в том, что значимые участки ДНК при таком переписывании могут быть скомбинированы между собой самыми разными способами. В результате на базе одной матрицы получаются разные белки, которые отличаются по функциям, выполняемым в организме. Информация о том, как будут «скомпонованы» между собой различные участки, хранится уже не в ДНК, а в другой молекуле - информационной РНК, которая имеет свои особенности. То есть уже на этом этапе одним анализом генома не обойтись. Хотя современные биоинформационные технологии позволяют преодолеть это препятствие.

Сюрпризы от белков

Предположим, что эту трудность нам удалось обойти. Мы знаем все о неправильном гене, поломка которого привела к наследственному заболеванию. Мы знаем, каким должен быть правильный ген. Что же дальше? Пока - ничего. До тех пор, пока мы не изучили нормальный и дефектный белок, помочь больному человеку мы не в состоянии.

Сегодня на «коротком» пути от гена к белку (он весь умещается в пределах одной клетки) возникли немалые трудности. Чтобы преодолеть их, понадобилось создание целой науки - протеомики. Если немного сгустить краски, можно сказать, что сегодня все неосуществленные чаяния геномики - науки о строении генома - переложены на эту побочную дочь. По мнению специалистов, именно протеомика доведет до конца дело, начатое расшифровкой генома человека.

Попробуем разобраться, что же по силам этой Золушке.

С первичной структурой белка - последовательностью его «кирпичиков» - аминокислот, которая определяется последовательностью нуклеотидов в гене, она справляется легко. А вот дальше начинаются задачи, которые сравнимы с разделением зерен проса и пшеницы в большом мешке, оставленном злой мачехой. Хотя Золушка все же пытается с этим справиться.

Дело в том, что после того, как синтезирована аминокислотная последовательность белка, получившийся продукт еще не стал белком в химическом и биологическом смысле слова. Он должен пройти множество химических изменений - фосфорилирование, гликозилирование, процессинг, и лишь после этого белок принимает ту форму, в которой он в состоянии выполнять свою роль в клетке. Однако главной мечтой исследователей остается пространственная структура белка - все эти выпуклости, бороздки и изгибы, позволяющие ему реагировать с другими молекулами в клетке (см. об этом тему «Супермодель» в «КТ» #398 . - Л. Л.-М.). Чаще всего дефект, гнездящийся именно в этой структуре, мешает белку выполнить свою важную роль в клетке. Можем ли мы сегодня получить эту информацию с помощью компьютерного анализа генома человека? Ответ однозначен - нет. Хотя эта информация, по теоретическим положениям, заложена в геноме, «добывать» ее оттуда пока не научились. К этому замку наш ключик не подходит.

Пространственную структуру белка сегодня можно определить лишь экспериментально - с помощью рентгеноструктурного анализа кристаллов белка или ядерного магнитного резонанса. Специальными методами протеомики стали также двумерный электрофорез, который разделяет белки по молекулярной массе и изоэлектрической точке, анализ белков в тканях и масс-спектроскопия. В международных банках данных хранится информация о структуре уже изученных белков, их двумерные карты, данные о наборе тех или иных белков в разных типах клеток. Существуют и специальные компьютерные программы, которые сравнивают эту информацию и определяют, по каким белкам разные типы клеток различаются, по каким - сходны. Таким образом, можно изучать работу клеток в организме, не отрываясь от дисплея и писать диссертации, не прикасаясь к пробиркам.

Однако все это касается уже известных белков, которые уже кем-то изучены «живьем». На сегодняшний день таких белков всего несколько тысяч. А изученных трехмерных структур - примерно десять тысяч, поскольку некоторые белки имеют не одну структуру. (Для сравнения - число геномных последовательностей измеряется миллионами). Информация по структуре белков гораздо сложнее. Сегодня существуют банки данные не только аминокислотных последовательностей, как например Swissprot и PIR, но и по трехмерной структуре макромолекул (PDB). Есть банки, содержащие информацию о функционально значимых участках белков (PROSITE), по доменам белков (Prodom), по лиганд-рецепторным комплексам белков (RELIBASE), по движению белковых субъединиц, петель и доменов (ProteinMotionDatabase), по лиганд-рецепторным комплексам и ионам металлов в активных центрах белков (PROMISE).

Вернемся к задаче устранения наследственного дефекта у больного человека. С помощью протеомики мы можем применить наш ключик следующим образом: на основе геномной информации установить последовательность аминокислот в белке, соотнести с банком данных известных белков и по аналогии установить структуру. Размах не очень широкий - «плясать» приходится от уже изученных структур белков.

Некоторые специалисты утверждают, что с помощью компьютерного анализа генома и биоинформатки можно преодолеть путь от «гена к лекарству».

Пока что это из области фантазий. На мой взгляд, существует только одна генноинженерная технология, которая работает и дает результат на этом уровне. Это так называемая методика antisense РНК. Она позволяет создать лекарство, минуя стадию белка. Суть ее в том, что в клетках больного необходимо «выключить» некоторые гены, работа которых приводит к патологии. У здорового человека такие гены «молчат». Это, например, гены, контролирующие некоторые опухолевые процессы. Чтобы устроить гену «нокаут» (именно таким термином обозначают данное действие в генетике), синтезируют короткие цепочки РНК, которые содержат «антисмысловые» последовательности нуклеотидов. Эти последовательности реагируют с участками гена и тем самым прекращают его работу.

Все остальные способы лечения пока что нацелены на белки, которые предлагают больше тайн, чем готовых решений.

Сюрпризы организма

Вообразим, что все-таки и эти проблемы удалось решить благодаря мощи компьютеров и упорству исследователей. Структура белка у нас в руках, информация о гене полностью известна. Что же дальше? Мы вводим нормальный белок в клетки пациента или заставляем их вырабатывать свой собственный. Скорее всего, тут же обнаруживается, что ничего не происходит. Ключик эту дверь не открывает. Человек не излечивается. Почему? Да потому, что развитие большинства наследственных болезней человека связано не с одним белком и не с одним геном. Большая «удача», если у пациента такое заболевание, где добавление одного-единственного белка или исправление одного-единственного гена способно решить проблему. Такое, например, происходит при развитии фенилкетонурии - наследственного заболевания, связанного с отсутствием фермента фенилаланингидроксилазы. При этом накапливаются промежуточные токсические продукты обмена и у ребенка наблюдается задержка умственного развития.

Однако с этим заболеванием научились бороться уже давно, еще до развития геномных технологий. Выяснилось, что если из рациона детей исключить аминокислоту фениаланин (то есть практически все природные белки), то обменные процессы приходят в норму и с умственной отсталостью можно успешно бороться.

Большинство же недугов, всерьез омрачающих жизнь человечества и сокращающих продолжительность жизни, имеют полиморфное наследование. То есть гены, «задействованные» в их развитии, существуют в десятках вариантов, которые между собой к тому же взаимодействуют, причем не всегда уже изученным способом. Это касается и диабета, и шизофрении, и сердечно-сосудистых заболеваний, и рака, и иммунодефицита, и многих других недугов. Конечно, открытие некоторых генов и влияние на них способны решить часть проблем - например, «исправление» гена, отвечающего за избыточное образование холестерина в организме, может значительно снизить риск развития сосудистых осложнений. Однако таких, уже изученных цепочек: «ген» - «белок» - «ткань или орган» совсем немного. Работы в этом направлении непочатый край. А исход зависит не только от усилий исследователей, но и от удачи - чтобы найти человека с дефектным, мутантным геном, который и открывает начало такой цепочки, может потребоваться исследовать двести человек, а может - и несколько миллионов. Расшифровка генома человека, в котором представлена информация о генетических последовательностях здоровых людей, тут не поможет. На этом уровне наш ключик не работает, эта дверь ему не по зубам.

Кажется, уже ясно, что ни о какой скорой победе над наследственными болезнями речь не идет. И надежды решить с помощью только расшифровки генома эту задачу кажутся мне сравнимыми со следующей ситуацией. Представьте себе толстую классическую книгу, к примеру «Войну и мир». Вам нужно узнать, в каком платье была Наташа Ростова. Однако все, что у вас есть, - это набор букв, которыми пользовался Толстой, когда создавал свой шедевр. Найти главу, в которой описан первый бал, и узнать что-либо про платье не представляется возможным. В таком же положении находятся сейчас исследователи, расшифровавшие для нашего блага геном человека. Им предстоит создать шедевр заново - из букв и слов, имеющихся в природе.

[i41246]