От генома к протеому
Наши ученые лидируют в реализации крупной международной программы.
Юрий Дризе, «Поиск» № 52-2014
Международный проект «Геном человека» нередко сравнивают с Периодической системой химических элементов Менделеева – настолько он значителен. Однако того результата, которого ждала мировая научная общественность, проект пока не принес. Фактически он решил всего одну задачу – информационную, определив последовательность генов, присутствующих во всех хромосомах, содержащих большую часть наследственной информации человека. Поэтому было решено реализовать новую глобальную международную инициативу «Протеом человека» (протеом обозначает всю совокупность белков и их взаимодействие в живых организмах). Ее цель – получить сведения о работе «молекулярных машин» – белков человека, заложенных в его геноме. И если расшифровка генома человека заняла 20 лет, то для выполнения более сложной программы «Протеом человека», начатой в 2010 году, потребуется гораздо больше времени...
В проекте «Геном человека» Россия не участвовала, но на этот раз включилась в исследования одной из первых, для чего был образован мощный научно-технический консорциум, в который вошло около десятка известных академических и медицинских организаций: Институт медико-биологических проблем, Институт молекулярной биологии, Институт биоорганической химии, Центр биоинженерии, Институт «Международный томографический центр» СО РАН, Институт физико-химической медицины.
Возглавил коллектив отечественных ученых НИИ биомедицинской химии им. В.Н.Ореховича (ИБМХ).
О блестящих работах отечественных ученых «Поиск» попросил рассказать директора ИБМХ академика Александра Арчакова.
– Международный проект оказался чрезвычайно сложным, поэтому участники – сначала их было шестеро, а сейчас уже более 20 – договорились о «разделении труда», – рассказывает Александр Иванович. – Из генома человека каждый научный коллектив выбрал одну, в крайнем случае две хромосомы (всего их 23). Мы остановились на 18-й, теперь ее так и называют – «русская хромосома». Определяющими для нас стали два критерия: количество генов в хромосоме (чем их меньше, тем ниже материальные затраты) и медицинское значение. Наши зарубежные коллеги свою задачу сформулировали просто: они сосредоточились на поиске интересующих их белков. Мы же сразу заявили, что не только найдем их, но и определим их содержание (то есть количество). Хотя для этого необходимо было разработать очень сложную технологию, поэтому способными на это оказались всего две-три лаборатории в мире.
Чтобы исследовать работу «молекулярных машин», синтезирующих белки на основе информации, хранящейся в хромосомах, мы воспользовались методом, позаимствованным у химиков – масс-спектрометрией. Масс-спектрометры позволяют проводить не только идентификацию белков, но и определять их содержание в биоматериале. Точность таких измерений – высочайшая, и она постоянно повышается.
– А какова цель этих исследований?
– Таких целей несколько. Когда ученые прочитали геном, то решили, что теперь нам известна вся информация, передаваемая человеку по наследству. Но со временем исследователям стало не хватать этого знания, необходимы были сведения о протеоме – совокупности белков, действующих в отдельных органах и тканях (скажем, в печени они – одни, в мозге – другие и т.д.). Нам необходимо научиться их регистрировать, а это чрезвычайно трудная задача, потому что до сих пор неизвестно, сколько белков в организме человека. Основных белков должно быть столько же, сколько генов (правда, тут возникает масса сложностей, и я не буду перегружать читателя). В нашей 18-й хромосоме это число известно: 276 генов. Столько же белков нам нужно было найти и оценить. На сегодняшний день мы обнаружили и измерили содержание 269, исследовав три вида биоматериала: плазму крови, клетки печени и культуральные раковые клетки. Наши сотрудники сделали это первыми в мире – никто из коллег даже близко не подошел к подобной цифре. Это неоспоримое достижение российских ученых. Замечу, что до сего момента науке было известно менее половины основных белков этой хромосомы, а содержание удалось определить всего лишь у десятка белков.
– Каково значение такой «инвентаризации» белков?
– В первую очередь, она чрезвычайно важна для медицины. Зная протеомный состав нормально функционирующих органов здорового человека и сравнивая его с протеомным составом больного человека, медики могут понять механизмы того или иного заболевания. Какие белки повинны в их развитии? Мы очень далеко продвинулись в определении содержания белков. Наука, как правило, с этим справиться не в состоянии, но наши сотрудники научились считать молекулы белков. Нам удалось почти невозможное: найти одну копию молекулы белка в расчете на одну клетку. Это все равно, что изобрести счетчик Гейгера для измерения радиоактивности. Мы добились впечатляющего результата: нашли в плазме крови 265 различных молекул (более 90%) и измерили их содержание. А также определили количество копий молекул одного и того же белка в расчете на один микролитр плазмы крови. Фактически мы достигли предела: одна копия белка на один микролитр плазмы. Для медицины такой показатель вполне достаточен, так как белки, которые содержатся в одном литре плазмы в количестве менее одного миллиона копий молекулы, вряд ли будут играть важную роль. Теперь можно использовать разработанный нами алгоритм, чтобы определить в плазме крови содержание всех основных белков генома человека.
Сейчас нам известно содержание около 3000 белков в плазме крови, но мы хотим довести эту цифру до 17-18 тысяч белков, полученных от здоровых людей. Помогает нам в этом Институт медико-биологических проблем РАН, поставляющий биологический материал от кандидатов в космонавты.
– Как может быть использовано это новое знание?
– Прежде всего, для медицинской диагностики. Ведь 17-18 тысяч белков в плазме крови, как мы считаем, дают практически полное представление о геноме человека. Это своего рода коллектор, куда поступают белки практически из всех органов и тканей (за исключением центральной нервной системы). Исследовав их, мы передадим медикам некий «эталон здорового человека». Заметим, что даже здоровые люди хотя и редко, но все же болеют. В этом случае с эталоном нужно будет сравнить белки, которые изменились в результате болезни. Тогда медики смогут предположить, в каком направлении она будет развиваться, и предпринять соответствующие меры. Эта технология не особенно сложная, но все-таки предназначается не для районных или городских клиник, а для хорошо оснащенных медицинских центров. Однако поскольку доставка биологического материала сегодня не является такой уж серьезной проблемой, для больных это не станет большим препятствием. По определенному протоколу у них возьмут кровь и сделают анализ, правда, достаточно сложный и дорогостоящий, но только когда его берут в первый раз. Уже созданный масс-спектрометрический биотест затем можно будет реализовывать быстро и дешево. Рассчитываю, что в будущем эта технология заменит действующий сегодня иммуноферментный анализ.
– Каковы дальнейшие планы вашего института?
– Цель у нас одна: сделать протеомную карту плазмы крови здорового человека. Тогда мы получим набор белков, часть которых медики отберут в качестве маркеров для определения множества известных заболеваний. Работать с ними будет очень просто. Никто в мире до нас не ставил такую грандиозную фундаментальную задачу, поскольку она чрезвычайно трудоемка и сложна. Но мы не видим проблем в ее осуществлении: у нас есть отличные наработки и совершенные технологии. Алгоритм этой операции достаточно хорошо отработан. И, если бы удалось запустить несколько технологических линий, то не возникло бы и производственных трудностей – мы бы уложились в два-три года. Если же технологическая линия будет всего одна, то у нас уйдет не меньше пяти-шести лет. На линию будет поступать биологический материал, а на выходе мы сможем получать данные белкового состава. Первый раз на изучение одной хромосомы нам потребовалось 5000 часов. Теперь же, чтобы определить состав 300 белков, нужен всего один рабочий день. Сейчас мы готовим биотесты на 200 белков, связанных с теми или иными заболеваниями.
Институт располагает мощной приборной базой, кроме того, у нас сложился прекрасный коллектив высококвалифицированных сотрудников, среди них много молодых. Их увлекает эта работа. Ради нее в НИИ вернулось немало специалистов, ранее уехавших за рубеж. Если будет соответствующее финансирование, то, уверен, мы достигнем цели: впервые в мире измерим полный протеом единичной хромосомы на примере 18-й хромосомы человека. В настоящее время мы определяем основной протеом этой хромосомы, содержащей немодифицированные белки. Далее предстоит измерить полный протеом, то есть также белки, модифицированные на геномном (белки, содержащие одноаминокислотные замены), транскриптомном (белки, экспрессируемые в результате альтернативного сплайсинга) и посттрансляционном (химически модифицированные белки) уровнях. Их число может достигать 100 на один ген, то есть для 18-й хромосомы предстоит идентифицировать около 30 000 белков. Для существующих технологий это невыполнимая задача, но мы работаем над созданием новых и обязательно ее решим.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
12.01.2015