Белки в профиль
За Россией закреплена 18-я хромосома
«Протеом человека» — международный проект, по задачам еще более крупный, чем «Геном человека», стоимость которого в свое время превысила три миллиарда долларов. В идеале предполагается составить опись всех белков человеческого организма и всех вариантов этих белков. По предварительным оценкам, их должно быть несколько миллионов. Россия за первый год проанализировала белки для 219 генов.
Алексей Торгашев
Проектов подобного рода в науке биологии всего два: «Геном человека» и нынешний «Протеом» (от международного «протеин», по-русски — белок). Организация здесь сетевая: сначала совместно выработали общие правила, а затем любая страна, любой институт и даже лаборатория «берут» себе кусок хромосомы, закупают оборудование и вперед — искать белки, запрограммированные в этой хромосоме.
Результаты, конечно, сохраняют в общей базе, есть и международная организация со штаб-квартирой в Квебеке, формально координирующая проект. Но нет жесткой иерархии и разделения полномочий, как, например, при эксплуатации мегасооружений в физике вроде Большого адронного коллайдера.
— Такая политика была продекларирована в Сиднее в 2010 году при старте этого проекта, — рассказывает член-корреспондент Российской академии медицинских наук Андрей Лисица. — Распределение хромосом между странами — каждая обязуется расшифровать протеом, то есть всю совокупность белков, относящуюся к одной из хромосом. За Россией закреплена 18-я хромосома. Финансировать может любой желающий. У нас профинансировало Минобрнауки, а в консорциум вошли восемь ведущих институтов. Это довольно необычно для нашей страны.
Мы беседуем в здании Института биомедицинской химии им. В.Н.Ореховича РАМН. Этажом выше в этот момент идут эксперименты, работают анализаторы — масс-спектрометры. На вид это большие железные ящики не самого оригинального дизайна. Однако начинка каждого ящика стоит от двухсот до миллиона евро и позволяет по массе и заряду молекул определить состав любой химической смеси.
— Раньше белки секвенировали, химически «откусывая» аминокислоту за кислотой. Жуткий труд! — восклицает Лисица. — А после расшифровки генома произошел прорыв: стали известны все потенциальные белки, то есть мы теперь уже знаем, что искать. И заработал другой метод анализа — масс-спектрометрия. Как это делается? Мы берем пробу, например кровь. Добавляем фермент, который «режет» все белки. Получается каша из десятков, а то и сотен тысяч фрагментов. Эту кашу мы отправляем на масс-спектрометр, а он точно определяет массу каждого фрагмента. И тут включается вычислительная техника — она сопоставляет эти кусочки с уже известными генами. Ответ-то известен!
В результате за 2011 год в России успели сделать первичный анализ уже 219 из 285 генов 18-й хромосомы. То есть определили, какие белки связаны с каждым из этих генов.
Здесь нужно пояснить, каким образом белки связаны с генами. Поэтому сейчас я расскажу, как работает наш организм с точки зрения биохимии. Это просто: любой ген на хромосоме хранит информацию о молекуле какого-нибудь белка. Сами белки — это молекулярные рабочие машинки, их работа и есть наша жизнь. Одни белки — пища, другие — строительный материал, третьи — сигналы и так далее.
Чтобы создать белковую молекулу, клетка сначала копирует ген на молекулу РНК, а затем уже на этой молекуле, как на матрице, штампует из аминокислот белки. В 20-е годы прошлого века умные головы, занимавшиеся биохимией, сформулировали основную догму молекулярной биологии в четырех словах: «Один ген — один белок».
И вот после расшифровки генома человека выяснилось, что генов у человека 22 тысячи, а белков находят намного больше — несколько миллионов видов. К этому времени уже было известно, что с одного и того же гена путем различных манипуляций клетка умудряется создать несколько в чем-то похожих, но разных видов белка. Однако масштаб такого производства удивил самих ученых. К тому же выяснилась противоположная вещь: есть 20–30% генов, белков которых никто никогда не видел. Не найдены, и все. Тогда и появилась идея систематизировать этот белково-генный хаос.
— Суть первой фазы проекта «Протеом человека» — «привязать» к каждому гену по меньшей мере один белок, — говорит Андрей Лисица. — Современные методы таковы, что можно очень точно сказать: вот этот белок принадлежит этому гену, а этот — этому. Но это только начало. Ведь существует примерно 150 типов тканей. И задача «Протеома человека» — составить атлас, по которому любой сможет посмотреть, в каком органе какие белки встречаются и в каких модификациях.
Сейчас вся молекулярная биология ориентирована на персонализированную диагностику и поиск мишеней для лекарств. Например, у этого человека столько такого-то белка в крови, у этого — столько. Один больной, другой здоровый. Маркеры воспаления давно уже находят в обычном анализе крови, правда, они показывают только, есть воспаление или нет, но не где оно. Или актуальный для мужчин белок PSA — в половине случаев, когда его уровень повышен, есть рак простаты.
Пока такая диагностика еще довольно грубая. Если бы медики научились «ловить» на уровне биохимии предраковое состояние, то, может быть, и медикаментозное вмешательство не требовалось бы.
— До сих пор мы могли исследовать лишь отдельные показатели. Это как если искать ключи под фонарем не потому, что там потерял, а потому, что там светло, — поясняет Андрей. — В лаборатории вы обнаружили, что с такими-то показателями у больного рак яичника, а в клинике у вас статистика разваливается. Потому что вы работали со случайной выборкой. «Протеом человека» как раз позволит выработать точный набор методик. Поначалу это, конечно, не будут масс-спектрометры, мы просто сделаем наборы антител… Впрочем, знаете, в Европе уже в 400 клиниках используют масс-спектрометры для бактериальных тестов на антибиотики — это намного быстрее обычных способов.
— А если для каких-то генов вы так и не найдете ни одного белка, что будете делать? — спрашиваю.
— Вообще-то такие уже есть. Если клетка, например, трансформируется в раковую, у нее могут появиться молекулы, которых нет у здоровой клетки. Но пока опухоль не выросла, этих белков в крови будет очень мало. Беря кровь из пальца, мы можем вообще их не заметить.
— А для чего нужны гены, которые производят белки так редко, что их можно не заметить?
— Окончательного ответа на этот вопрос в биологии нет. Пока есть представление о том, что в клетке должны быть тысячи или десятки тысяч молекул какого-то белка, чтобы они выполняли биологическую функцию. С другой стороны, молекулы РНК, например, уже иногда встречаются в количестве одной копии на тысячу клеток. Что это? Вдруг именно в этой клетке уже начался процесс трансформации?
Этот вопрос не такой умозрительный, как кажется. Когда проект обсуждался в Минобрнауки, онкологи спрашивали: «А зачем нам ловить одну молекулу в литре крови? Мы все равно с ней ничего сделать не сможем. Нужно, чтобы мы разрезали человека и увидели опухоль». Биохимики им отвечали: «Ну давайте сначала научимся это делать, а затем уже будем решать, нужно нам это или нет. Надо уметь искать не только под фонарем».
Профиль белков в клетке, то есть все виды и их количество, зависит от времени суток, от состояния организма, от ткани. Он все время меняется. Задача — увидеть, когда эти колебания выйдут за пределы индивидуальной нормы. Определить причины этого в каждом конкретном случае даже персонализированная медицина, скорее всего, не сможет. Она просто будет предлагать способ, как привести организм в норму.
— Если на каждый анализ крови уходит неделя, это не будет работать, — уверен Лисица. — Понимаете, сейчас биология нацелена уже не просто на механическое накопление знаний, а на их правильное представление. Если вы получили замечательные данные, но за десять лет их скачали только два аспиранта, то ценность этой информации стремится к нулю. А вот если вы сделали такой интерфейс, что любой, кто вашим белком заинтересовался, может проверить свою гипотезу за час, это и есть настоящая ценность для науки и медицины. Вот представьте: у каждого человека есть мобильный анализатор, который, допустим, каждые два часа сверяет показатели с базой данных. И сразу отслеживает патологию. Но это в будущем…
