Знание - сила, 2004 № 05 (923)

Коллектив авторов

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 (см. анализ этого открытия в «ЗС», 2000, № 7 и 10). 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.

А

ведь мы даже не знаем, как клетки человека используют те или иные белки, когда они их используют и что может произойти, если нужный белок отсутствует. Нам будто подарили набор замечательных инструментов — они красиво разложены, посверкивают хромом и мельхиором, а для чего ими пользоваться, как применять?.. Кто бы подсказал!

Мало составить простую опись человеческих генов, надо знать, какими белками распоряжается каждый ген. Пока у нас есть пулы с множеством кнопочек. Теперь надо выяснить, что включает или переключает каждая кнопка.

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.

Взрослые игры с неизвестными

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.

Из двадцати аминокислот составлены миллионы различных протеинов. Слева: трипсин - один из важнейших пищеварительных ферментов. Справа: коллаген - основной строительный элемент нашего тела

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.

Или другое сравнение: анализ протеома сродни фотографическому процессу. Щелкая кнопкой фотоаппарата, мы пытаемся запечатлеть жизнь, а удерживаем лишь отдельные мгновения. Вспышка, кадр, фигуры застыли и пересчитаны, а поднимите глаза от карточки — мир неузнаваемо изменился. Одни персонажи ушли с глаз долой; другие, незнакомые,

появились, и лишь фон действия — остовы зданий — остался тот же, как никуда не исчез и остов человеческого организма — фон, на котором мы наблюдаем стремительную активность белков.

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.

Это геном был один на всех, как статья «Человек» в энциклопедии относится сразу ко всем людям. Протеомы же, они совершенно индивидуальные — особые для каждого человека, для любой части тела. Вот и судите, легко ли составить такую опись? Выполним ли этот проект? Титаническая задача! Все равно, что пересчитывать брызги пены в мчащейся реке.

* 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. Иной раз подумаешь, что протеины, как люди: каждый отличается «лица необщим выраженьем».

Орудия, которые мы выбираем

Итак, исследование протеинов — задача не из легких и не из дешевых.

Анализ структуры белка обходится сейчас в 50 — 200 тысяч долларов. Не случайно семь ведущих американских лабораторий объединились в организацию «Protein Structure Initiative», задавшись целью снизить стоимость анализа до 20 тысяч долларов и исследовать в ближайшие десять лет структуру 10 тысяч новых белковых молекул.

Антитела - это белки, защищающие организм от бактерий. По сваей форме они напоминают латинскую букву Y