Академик РАМН Александр АРЧАКОВ, директор Института биомедицинской химии им. В. Н. Ореховича РАМН

Прошло чуть более пяти лет со времени расшифровки генома человека, а мировое научное сообщество уже готовится к штурму еще более трудной вершины - картированию белков нашего организма. Как предполагается решать эту сложнейшую задачу? Какое участие в международном проекте "Протеом человека" смогут принять российские исследователи? Почему для его реализации так важно развитие нанопротеомики? Об этом в беседе с нашим корреспондентом Сергеем Поповым рассказывает директор Института биомедицинской химии им. В. Н. Ореховича РАМН академик РАМН Александр Арчаков.

- Александр Иванович, в одной из своих статей, опубликованной около десяти лет назад, вы писали: "Биоинформатика, геномика и протеомика - науки о жизни, которые будут определять начало XXI в., так же как молекулярная биология, иммунология и биотехнология определяли конец XX в.". Ваша оценка не претерпела изменений?

- Сегодня я бы уточнил: молекулярная биология и две связанные с ней дисциплины сохранят важнейшее значение и в начавшемся столетии, но именно в первой триаде реальны наиболее мощные прорывы к новому знанию.

Напомню, геномика, изучая структуру и функции генов, создает соответствующие карты живых существ. 30 лет назад никто бы не поверил в возможность инвентаризации всего генома человека. К 2003 г. это стало реальным. Достигнутые результаты очень важны для медицины. До недавнего времени 98% болезней людей не связывали с генетикой, поскольку на собственно наследственные патологии, вызываемые дефектами генов, как выяснилось, приходится лишь 2% всего числа заболеваний. Теперь очевидно: для каждого патологического процесса можно выявить нарушение регуляции экспрессии (проявления активности) конкретных генов, в результате чего такой процесс и развивается. Но геномика не всесильна: даже картировав все гены, мы пока до конца не знаем, что каждый из них экспрессирует, т.е, какие белки синтезируются в результате этой активности. Ответ даст протеомика.

- В чем же ее отличие от геномики и почему на эту новую дисциплину возлагают столь большие надежды?

- Сам термин происходит от двух хорошо известных в биохимии: "proteins" и "genome". Если в геномике исследователь имеет дело с молекулами нуклеиновых кислот - ДНК и РНК, то в протеомике - с аминокислотами (их насчитывается всего 20), из которых и состоят белки (протеины). Прочтение генома дает лишь информацию о том, что может происходить с нашим организмом - например, о вероятных болезнях. Реализуется она при определенных обстоятельствах. Иногда в течение всей жизни человека ген, вызывающий опасения, так и не проявит себя. Выходит, знание последовательности генов еще не дает представления о том, как работает организм, чем живет каждая из составляющих его клеток. А они, как дом из кирпичиков, сложены в основном из белков.

Гены содержат инструкцию по их сборке, т.е. геном - это план "строительства", реализуется же он в белках. Именно они - структурная основа всех тканей: от мышц и костей до волос и ногтей. И не только как материал роста, воспроизводства, замещения в местах повреждений. Выступая в роли ферментов, они регулируют скорость биохимических реакций, а в роли гормонов - ход физиологических процессов. Иммунные белки - антитела - выполняют защитную функцию. А ведь перечисленное - только часть многочисленных ипостасей. Белки характеризуют всю жизнедеятельность организма. Изменилось его состояние, надвигается болезнь - это неминуемо связано с появлением либо исчезновением тех или иных из них, изменением их количества. Поэтому в протеомном подходе кроются уникальные возможности для диагностики: в будущем по работе опре-

деленных белков можно будет распознавать болезни при самом их зарождении, когда баланс функционирования организма лишь слегка сместился в ту или иную сторону. Однако для начала все белки нужно хотя бы определить и сосчитать. По сравнению с расшифровкой генома человека это более объемный труд. Если сейчас у человека известно свыше 20 тыс. работающих генов, то сколько существует белков, пока не скажет никто. Вероятнее всего - миллионы.

В глобальном масштабе протеомика инвентаризирует все белки организма. Медицинский же аспект проблемы несколько уже: требуется установить корреляцию между набором белков и началом или развитием болезни. Задача сходна с геномикой, где определяется зависимость между болезнью и факторами наследственности, но на порядок сложнее. И не только потому, что протеинов во много раз больше, чем генов. Геном - стабильная структура, а протеом подвержен постоянным изменениям. Состав пищи, физическое состояние организма, стресс и множество других факторов влияют на общую картину. Конкретный белок может быть экспрессирован как в виде единичных молекулярных копий, так и в огромном количестве - налицо широкий диапазон их концентраций в клетке и биологических жидкостях.

- В числе быстро развивающихся наук о жизни вы упоминали также биоинформатику...

- Она занимается примерно тем же, что и классическая биохимия, молекулярная биология и биотехнология, но не в пробирке, а с привлечением мощной вычислительной техники. Это так называемая "сухая биохимия", открывающая путь от гена к лекарству через познание структуры макромолекулы. То, что раньше делали с помощью эксперимента (я вовсе не склонен преуменьшать его роль в исследованиях), сейчас реализуют с использованием вычислений. Революционным является следующее: вместо нескольких сот мишеней, на которые направлено действие лекарства сегодня, эта наука готова дать десятки тысяч новых, предсказать роль тех или иных генов, дешифровать последовательность белков. Установить функцию последних экспериментально - трудоемкий процесс, требующий огромных затрат. В биоинформатике этот путь короче. Сама дешифровка сходна с криптографией - из последовательности отдельных букв читают весь биологический текст, и уже на основании его выясняют, о каком белке идет речь. Еще недавно биохимики тратили жизнь, чтобы определить структуру одного белка и выявить его функцию. С помощью новых подходов можно одновременно предсказать функцию тысяч из них.

- Получается, что все три науки - геномика, протеомика и биоинформатика - взаимосвязаны?

- И не только, а дополняют, питают друг друга, не могут существовать сами по себе.

- Если не возражаете, вернемся к собственно протеомике, ведь она - предмет глубокого научного интереса и вас как ученого, и немалой части сотрудников руководимого вами института...

- Чтобы представить временные рамки формирования этой дисциплины, замечу: термин "протеом" был предложен в 1995 г. Сама же наука начала быстрое развитие в США, Канаде, странах Европы в последующие несколько лет. В 2001 г. в Институте биомедицинской химии им. В. Н. Ореховича мы организовали соответствующий отдел. При активной поддержке тогдашнего президента РАМН Валентина Покровского была принята межведомственная комплексная целевая программа "Протеомика для

Изображение молекулы бактериального белка путидаредоксинредуктазы, полученное с применением методов атомно-силовой микроскопии.

медицины и биотехнологии". Ее осуществление взял на себя созданный на базе нашего института Центр протеомных исследований. В 2003 г. он зарегистрирован в международной организации "Протеом человека" (HUPO), являющейся аналогом организации "Геном человека". И если задачей последней была инвентаризация всех генов, то первая планирует конструирование протеомной карты всех белков (об особенностях этого грандиозного международного проекта я скажу чуть позже).

Возвращаясь к отечественной межведомственной программе, отмечу: рассчитанная на десятилетие, она предусматривает наряду с поиском в области фундаментальных научных проблем разработку диагностических методов онкологических, инфекционных и других заболеваний, подходов к созданию лекарственных средств нового поколения. В реализации указанных задач активно участвуют профильные институты Москвы, Санкт-Петербурга, сибирских отделений РАН и РАМН. Благодаря этой программе удалось оснастить лаборатории, в частности, нашего института самым современным оборудованием, позволяющим вести работы на мировом уровне. Это, пожалуй, один из немногих примеров, когда отечественная наука может реально конкурировать с мощными зарубежными центрами, чьи интересы лежат в той же области.

Надо признать: достижения геномики и протеомики напрямую связаны с развитием современных технологий. Особенно остро в них заинтересована протеомная наука, которая, как я уже упоминал, столкнулась с необходимостью работать в широчайшем диапазоне регистрируемых концентраций белковых молекул: от милли (10" ) до зептомолярных (10" ). Таким образом, из мира макроскопических явлений, обусловленных действием огромного количества молекул, мы переходим в наномир, где эффект напрямую связан с единичным молекулярным объектом.

- То есть в протеомике не обойтись без нанотехнологий?

- Совершенно верно. К сожалению, в протеомике отсутствует метод, позволяющий увеличивать количество белковых макромолекул, как это делается в отношении молекул нуклеиновых кислот с помощью полимеразной цепной реакции в геномике. Там даже одну молекулу ДНК можно размножить до пределов, когда ее наличие фиксируют современные детекторы. А в протеомике пока еще не удается определить все белковые молекулы, присутствующие в биологическом материале, - существующие технологии не позволяют. Необходимость повышения чувствительности аппаратуры на несколько порядков вызвана тем, что подавляющее количество типов функционально важных белков, которые могут быть и маркерами заболеваний, присутствуют в плазме крови, согласно оценкам, в концентрациях крайне низких, вплоть до нескольких молекул.

Еще одна трудность протеомного анализа связана с большой разницей в концентрации белков: в одном и том же биологическом материале одновременно могут находиться их образцы с уровнем 10 ^{- 3} - 10 ^{- 4} М и 10 ^{- 12} -10 ^{- 15} М, что существенно затрудняет

определение присутствующих в более низких концентрациях. Как выразился один ученый, имея в виду технологические пороги: "Мы побежали до того, как научились ходить". Эта фраза отчасти описывает современное состояние протеомики. Ведь ей необходимы технологии, позволяющие фиксировать наличие отдельных молекул белков в присутствии других, гораздо более многочисленных. Уже сегодня, применяя нанотехнологии, можно регистрировать и визуализировать отдельные макромолекулы и их комплексы, так же как и единичные наночастицы. Эти подходы еще нуждаются в значительном совершенствовании, но за ними - будущее. И, конечно, хорошо бы научиться размножать белковые молекулы, что облегчило бы их анализ. И тут опять надежды возлагаются на нанотехнологии.

Если говорить о протеомике в целом, я бы выделил две основные проблемы: фундаментальную, состоящую в определении числа молекул белков в биоматериале (о ней мы уже говорили), и прикладную - поиск биомаркеров болезней. Первую удастся решить после появления высокоскоростных детекторов для подсчета отдельных молекул вместо определения их концентраций. А вот вторая - неоднозначна, поскольку, скажем, при поражении сердечно-сосудистой системы, в частности, инфаркта миокарда, нанотехнологии не нужны, ибо и без них специалисты фиксируют хорошо известные белковые маркеры - сердечный миоглобин и тропонин, присутствующие в крови пациента после инфаркта. Противоположная ситуация в случае рака. Для выявления самых ранних его стадий нужны очень тонкие "инструменты". Их пока нет. Теоретические расчеты показывают: если биомаркеры, характерные для опухолевых клеток, существуют, их концентрация в крови на начальном этапе злокачественного роста не должна превышать 10 ^{- 15} М. Как же зафиксировать их присутствие в биоматериале? Этого удастся достичь, только прибегнув к нанотехнологии.

Разрабатывая методы подсчета единичных молекул, сотрудники нашего института стараются повысить чувствительность диагностических систем. Достигнутый на текущий момент результат составляет 10 ^{- 16} М на литр, сегодня еще никем в мире не превзойденный. Исследования мы проводили на примере двух заболеваний - гепатита В и С. Действенность новых подходов доказана экспериментально. Но до показателя, к которому мы стремимся, - 10 ^{- 20} - еще далеко. Движение в этом направлении продолжается, в частности, осваиваем новые зонды, более эффективно фиксирующие белки, совершенствуем технологии выявления маркеров и их регистрации. Отмечу: высокочувствительные диагностические комплексы на основе атомно-силовых микроскопов наши специалисты разработали совместно с известной российской компанией NT-MTD* (город Зеленоград, Москва).

- В 2007 г. вас назначили главным редактором раздела "Нанопротеомика" в престижном международном журнале "Proteomics". Это, бесспорно, дополнительная качественная характеристика ведущихся в вашем институте исследований, востребованности их мировым научным сообществом. Но вот вопрос: будут ли российские ученые вовлечены в реализацию крупнейшего научно-технологического проекта, о котором вы упомянули?

- Очень на это надеюсь. И речь идет не только о престиже отечественной науки, хотя, конечно, он важен. Дело, прежде всего, в ее уровне, а участие в проекте "Протеом человека" будет, несомненно, способствовать его повышению. В чем суть идеи, пока еще не реализуемой, а только обсуждаемой специалистами разных стран?

Я уже упомянул, что совместными усилиями предполагается охарактеризовать все белки в организме человека. Если говорить о предыстории, то

* См.: В. Быков. Микроскоп... рассматривающий атомы. - Наука в России, 2001, N 1; В. Быков. Нанотехнологический потенциал России. - Наука в России, 2003, N 6; В. Быков. Продвижение в глубь материи. - Наука в России, 2008, N 6 (прим. ред.).

исследователи начали обсуждать эту возможность еще в середине 90-х годов XX в., когда международный проект по расшифровке генома был далек от завершения. Скоординированных действий по "систематизации" белков человека тогда не последовало, хотя изучение их с появлением в лучших протеомных центрах автоматизированных методов анализа все последние годы набирало темп. В августе 2008 г. на VII ежегодном конгрессе международной организации "Протеом человека" в Амстердаме группа ведущих ученых выступила с предложением решать данную задачу объединенными усилиями. Ориентировочный срок реализации - ближайшие 10 лет. Примерная стоимость только первого этапа, включающего накопление существующих сведений с помощью масс-спектрометрии, - около 1 млрд. дол. Теперь, когда оценочное число генов, кодирующих белки, сократилось после расшифровки генома с ранее предполагавшихся 50 или 100 тыс. до 21 тыс., задача инвентаризации всех белков уже не кажется фантастикой. Хотя сложность и масштабы ее огромны.

Согласно экспериментальной оценке в составе протеома содержится около 2 млн. белков, т.е. на один из 26 тыс. известных генов человека в среднем приходится до 80 разных по структуре белковых молекул. Таким образом, для наименьшей по количеству генов соматической хромосомы N 21 должно быть идентифицировано примерно 30 тыс. белков, а для наиболее "протяженной" N 1 - около 230 тыс.

Наиболее доступный для предполагаемого анализа материал - плазма крови: потенциально она содержит все разнообразие интересующих нас молекул. Пока их известно около 3 тыс., а сколько на самом деле - не знает никто. Учитывая динамически меняющийся состав протеома (в отличие от генома он не постоянен), выполнение проекта должно предусматривать анализ других тканей, в том числе печени.

Каким образом предполагается организовать эту работу? Какая идея должна быть поставлена во главу угла? Мнение авторитетных экспертов, которое поддерживаю и я как член совета HUPO: проект должен быть ориентирован на геномику. Как это понимать? Поскольку информация о белках - по сути "план строительства" - заложена в генах, с них и надо начинать. Для этого с каждой из 23 хромосом виртуально (с помощью компьютерных программ) исследователи "считают" экспрессируемые участки, затем попытаются найти кодируемые конкретными генами белки в биологическом материале, подтвердив их наличие экспериментально.

Объем предполагаемых работ настолько велик, что каждая из стран-участниц возьмется анализировать лишь одну хромосому. Какую же выбрать нам, если наша страна примет решение войти в проект? Мы предлагаем остановить выбор на хромосоме N 18, руководствуясь тем, что она далеко не самая протяженная - в ней 460 генов, следовательно, меньше и опасность "утонуть" в изучаемом материале. Следует учесть и ее медицинскую значимость: в N 18 зарегистрировано большое число мутаций, ответственных за развитие социально значимых заболеваний.

- В итоге результаты проекта будут способствовать совершенствованию диагностических методов?

- Главная цель в широком смысле - конечно же, расширение фундаментальных знаний о человеческом организме, о самом феномене жизни. Но, бесспорно, и медицинский аспект очень важен, ведь речь идет о ранней диагностике социально значимых заболеваний, прежде всего онкологических и инфекционных, о поиске новых лекарств. В этом контексте хочу отметить исследования в области популяционной протеомики, успешно ведущиеся в московском Институте медико-биологических проблем РАН. Там изучают особенности протеома здорового человека - в мире этим еще не занимаются. А между тем данный аспект очень важен: опираясь на знание протеома в состоянии нормы, легче составить представление о том, в чем проявляются ее отклонения, характерные для патологии.

- Итак, войти ли в большой протеомный проект - вопрос для отечественной науки пока все-таки открытый?

- Я, разумеется, горячий сторонник и проекта, и участия в нем нашей страны, тем более что российские ученые не имели возможности внести существенный вклад в проект "Геном человека" и тем самым были в каком-то смысле оттеснены на обочину современной биологической науки. Теперь ситуация иная, и у нас появляется шанс поправить положение. На конгрессе в Амстердаме мне как члену совета HUPO поступило предложение организовать очередное заседание международного инициативного комитета по проекту "Протеом человека" в Москве. В его преддверии в ноябре 2008 г. в нашем институте под председательством министра образования и науки РФ Андрея Фурсенко прошло рабочее совещание. Присутствовавшие вице-президент РАН академик Анатолий Григорьев, президент РАМН академик Михаил Давыдов, директора ведущих профильных научно-исследовательских институтов поддержали участие российской стороны в выполнении этого проекта, сочтя необходимым рассматривать его в числе приоритетных.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: