Член-корреспондент РАН Сергей ВАРФОЛОМЕЕВ, директор Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН

Биохимик, академик Владимир Энгельгардт в 1957 г. в одном из интервью отметил: "Не нужно быть беспочвенным оптимистом, чтобы верить, что через пятьдесят лет "биологический код" - химическая зашифровка наследственных свойств - будет расшифрован и прочитан. С этого момента человек станет полным властелином живой материи".

Предсказание прозвучало всего через три с половиной года после открытия роли ДНК как носителя генетической информации, однако оказалось достаточно точным: за полвека в науке произошел колоссальный экспериментальный и теоретический прорыв, обеспечивший к началу XXI в. знание структуры геномной молекулы ДНК человека, а также многих микроорганизмов, растений, животных. Ныне такие сведения получены более чем о 2500 организмах, и новая информация поступает лавинообразно.

Что это дает современному обществу, помимо восхищения достижениями ученых и силой глобального человеческого интеллекта?

Последствий расшифровки геномов* много, в ближайшие годы и десятилетия станет еще больше. Поэтому по инициативе российских членов Международный союз теоретической и прикладной химии создал проект "Пост-геномная химия" для выявления направлений, наиболее значимых для данной науки и связанных с ней молекулярных исследований. По мнению большинства его уча-

* См: А. Мирзабеков, Л. Киселев. Познай свой геном. - Наука в России, 1997, N 2 (прим. ред.).

стников, самая сложная и интересная проблема - изучение структурного и функционального разнообразия биомакромолекул в организме человека.

Сегодня возникает качественно новая ситуация, стимулирующая развитие ряда отраслей химии и медицины, ибо в ходе завершившегося в 2003 г. крупнейшего международного проекта "Геном человека" создана база для изучения индивидуальных геномов, поиска различий между ними, в том числе на белковом уровне. Разумеется, такая работа предполагает участие широкого круга специалистов. И в 2006 г. РАН и МГУ им. М. В. Ломоносова организовали совместные исследования, первым итогом которых стало двухтомное издание "Молекулярный полиморфизм человека", достаточно полно отражающее достижения отечественных специалистов. В его подготовке приняли участие сотрудники факультетов фундаментальной медицины, химического и биологического МГУ, ряда институтов РАН - Биохимической физики им. Н. М. Эмануэля, Биологии гена, Биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова, Биохимии им. А. Н. Баха, Высшей нервной деятельности и нейрофизиологии, Молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта, Молекулярной генетики, Общей генетики им. Н. И. Вавилова, Энергетических проблем химической физики, а также Института биохимии и генетики Уфимского научного центра, Института биомедицинской химии РАМН, Клиники акушерства и гинекологии им. И. М. Сеченова, Клиники нефрологии, внутренних и профессиональных болезней им. Е. М. Тареева Московской медицинской академии им. И. М. Сеченова, Медицинского радиологического научного центра РАМН, Всероссийского научно-исследовательского института физической культуры Росспорта и Российского государственного кардиологического научно-производственного комплекса*.

РОЛЬ ФЕРМЕНТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

За последние 10 лет были выполнены значительные фундаментальные и методические работы с ферментами - уникальными инструментами, оперирующими биомакромолекулами. И сегодня существует большой выбор этих белков для геномных и протеомных** исследований, собственно обеспечивающих методическую базу. Особо отметим две группы: термостабильные ДНК-полимеразы и сайт-специфические протеазы.

* См.: Р. Акчурин, Г. Ройзенблит. Кардиохирургия: время высоких технологий. - Наука в России, 2006, N 2 (прим. ред.).

** Протеомика - наука, основным предметом которой являются белки и их взаимодействия в живых организмах, в том числе в человеческом (прим. ред.).

ДНК-полимеразы достраивают вторую полинуклеотидную цепь на матрице первой*. Иначе говоря, после того как свою функцию выполнил так называемый праймер - белок, начинающий эту новую цепь, ДНК-полимеразы отвечают за ее наращивание. С их помощью можно решить две взаимосвязанные задачи: выявить интересующий ученого участок ДНК и, что наиболее важно, увеличить его количество. В рамках одного цикла оно удваивается, и для получения необходимого объема процедуру обычно повторяют 45 - 50 раз.

А сайт-специфические протеазы позволяют определенным образом расщеплять белки и пептиды, причем чаще всего требуется разорвать связи, образуемые аминокислотами лизином и аргинином, для чего применяют трипсин. Зная строение генома и, соответственно, последовательность перечисленных аминокислот, можно предсказать, какие пептиды появятся в результате "дробления". И в большинстве случаев с помощью фермента можно однозначно идентифицировать белок (метод "отпечатков пальцев").

Изучая разнообразие ДНК, РНК, белков человека, мы привлекаем разные методы "узнавания" этих структур и определенные параметры, позволяющие сравнивать между собой даже их фрагменты. Традиционно применяют электрофорез: под действием электрического поля биомакромолекулы разделяют по их подвижности в гелях различной природы. Использование же масс-спектрометрии стало поистине революционным шагом: оказалось, что макромолекулы можно перенести в газовую фазу, дискриминировать по массе и заряду в электромагнитном поле и с высокой точностью идентифицировать среди большого числа им подобных (за это открытие американец Джон Фенн и японец Кончи Танака получили в 2002 г. Нобелевскую премию по химии). По надежности данный метод сегодня не имеет себе равных.

Особую значимость приобретает масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса, позволяющая разделять заряженные макромолекулы по частотам вращения в мощном магнитном поле. При этом массу определяют с точностью до одной миллионной доли - 1 ppm. Условно говоря, мы "взвешиваем" 1 г вещества на фоне тонны. На описанном подходе основана методика изучения белков, разработанная доктором физико-математических наук Евгением Николаевым и кандидатами физико-математических наук Игорем Поповым и Алексеем Кононихиным - руководителем и сотрудниками единственного в стране Центра масс-спектрометрии биомакромолекул, созданного в 2005 г. в нашем Институте и укомплектованного соответствующими приборами различной сложности и предназначения.

Уникальные качества масс-спектрометрии связаны с определением последовательности аминокислот в белках и пептидах по набору продуктов расщепления последних. Для этого образец ионизируют и измеряют масс-спектры полученных компонентов, по которым выделяют интересующий пептид и фрагментируют его одним или двумя физическими способами с последующим вторичным измерением масс-спектров. Структуру анализируемого вещества реконструируют, используя арсенал средств информатики.

В высшей степени интересные и весомые результаты получены при изучении белков, содержащихся в выдыхаемом человеком воздухе. Такие исследования проводят в рамках совместного проекта в нашем Ин-

* Молекула ДНК состоит из двух полимерных цепей, отчего ее структура получила название "двойной спирали". При делении молекулы цепи расходятся и начинается их репликация (повторение) (прим. ред.).

статуте и Российском пульмонологическом центре под руководством академика РАМН Александра Чучалина, доктора медицинских наук Эльдара Анаева и кандидата химических наук Виктории Куровой. Как оказалось, любой из нас выдыхает достаточно большое количество этих веществ, и их компонентный состав зависит от генетического полиморфизма, физиологического состояния индивидуума, его здоровья. Сегодня разработана оригинальная методика, предполагающая концентрирование конденсата выдыхаемого воздуха, ферментативное расщепление макромолекул на пептиды и общий масс-спектральный анализ последних. Биоинформационный подход позволяет идентифицировать белки по массам получаемых фрагментов (уже упоминавшихся "отпечатков пальцев"). В итоге ученые обнаружили около 50 белков различной природы, чей набор индивидуален для каждого из нас. Есть среди них и биомаркеры воспалительных процессов, которые специалисты могут идентифицировать. Иначе говоря, дальнейшее развитие и совершенствование метода приведет к появлению качественно новой экспресс-диагностики многих заболеваний.

Развитие геномных и пост-геномных технологий было бы нереальным без создания значительных баз данных и прогрессивных методов анализа информации. Благодаря современным компьютерным технологиям и Интернету новые материалы сразу же становятся достоянием ученых в любой точке земного шара. Так, кандидат физико-математических наук Василий Раменский из Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта и Шамиля Сюняева из Гарвардской медицинской школы (Бостон, США) в ходе совместного поиска получили важные сведения о проявлении единичных замещений в ДНК (единичном нуклеотидном полиморфизме - SNP) на фенотипическом (белковом) уровне. Они разработали очень эффективный метод оценки значимости той или иной замены, позволяющий использовать информацию о структуре макромолекул для предсказания функционального эффекта на белковом уровне.

В организме человека присутствует ряд ключевых систем, например, ферменты или рибосомальные ДНК*. И специалисты должны понимать их молекулярное разнообразие, отражающееся на физиологии человека. Существует множество пока неразрешенных вопросов о влиянии структурных модификаций этих веществ на их функцию. Мы ищем ответы на экспериментальном и теоретическом уровнях. В этом отношении выделяются работы члена-корреспондента РАН Алексея Рыскова и кандидата биологических наук Наталии Куприяновой из Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта, а также доктора биологических наук Юрия Лебедева с сотрудниками из Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова.

Занимая в нашем геноме относительно небольшое место (около 10% аннотированных генов), ферменты играют ключевую роль в химических реакциях, обеспечивающих метаболизм. Многие проявления полиморфизма связаны с их изменениями в строении или неодинаковой экспрессией ответственных за их работу генов. В настоящее время - это наиболее изученные биомакромолекулы в организме человека, и есть возможность исследовать их с точки зрения структурного и функционального разнообразия. Работы, осуществляемые в настоящее время на кафедре химической энзимологии МГУ в содружестве с другими организациями, с использованием самых современных методов исследования, приносят богатую информацию, позволяющую сравнивать генетический, протеомный и каталитический полиморфизм** ферментов.

* Рибосома - важный и древний компонент клетки, у всех ныне живущих организмов эта органелла сохранила общие черты, а гены, ответственные за синтез формирующих ее нуклеиновых кислот и белков, за процессы, связанные с ее функционированием, образуют крупнейший полигенный комплекс, от работы которого зависит жизнеспособность отдельных клеток и всего организма в целом (прим. ред.).

** Генетический полиморфизм - сосуществование в пределах популяции двух или нескольких различных наследственных форм, находящихся в динамическом равновесии в течение нескольких и даже многих поколений (прим. ред.).

Нанотехнологии анализа ферментного полиморфизма человека: с помощью атомно-силовой микроскопии подсчитывают индивидуальные молекулы фермента (зеленые и красные пятна на синем поле).

РОЖДЕНИЕ ГУМАНИТАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Предрасположенность человека к тем или иным заболеваниям генетически детерминирована. В связи с этим в рамках проекта РАН - МГУ проводится ряд важных работ. На факультете фундаментальной медицины МГУ под руководством академика Всеволода Ткачука совместно со специалистами Российского кардиологического научного центра анализируют роль полиморфизма генов системы гемостаза* в раннем развитии ишемической болезни сердца. Кроме того, Ткачук с сотрудниками изучают генетические аспекты заболевания печени, а кандидат медицинских наук Лариса Самоходская из лаборатории генных и клеточных технологий в медицине (тот же факультет МГУ) занимается генетическими проблемами невынашивания беременности. Доктор биологических наук Марлен Асланян с коллегами из МГУ и Института общей генетики им. Н. И. Вавилова проводят работы, связанные с полиморфизмом генов-супрессоров опухолей** и генетическим контролем канцерогенеза. Доктор биологических наук Татьяна Кондрашова из Медицинского радиологического научного центра оценивает риски рака молочной железы, а доктор химических наук Владимир Попов и доктор биологических наук Сергей Шишкин из Института биохимии им. А. Н. Баха - рака предстательной железы. В отделе доктора биологических наук Эльзы Хуснутдиновой (Институт биохимии и генетики, Уфимский научный центр РАН) изучают связь полиморфных вариантов генов с бронхиальной астмой.

В настоящее время происходит становление качественно новой молекулярной медицины, основанной на выявлении первопричин ряда недугов. Благодаря пост-геномным и протеомным исследованиям возникают не существовавшие ранее отрасли знания - кардиогеномика, онкогеномика, нейрогеномика, фармакогеномика, базирующиеся на объективной оценке и уменьшении рисков сердечнососудистых и онкологических заболеваний, предсказании развития нейродегенеративных процессов и старения. Сегодня речь идет о создании и развитии индивидуальной медицины на основе молекулярно-генетического и протеомного портрета человека.

Теперь известно, что и тип психического поведения, особенности личности, психоэмоциональное поведение человека заданы генетически, на них влияет индивидуальное разнообразие молекул. И в этой области принципиально важные изыскания проводят академик Михаил Кирпичников, члены-корреспонденты Алексей Иваницкий*** и Александр Тоневицкий, доктор биологических наук Ольга Сысоева и другие ученые из МГУ и Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии. Значительный прогресс наметился в познании генетических полиморфизмов нейромедиаторных систем для психологии поведения спортсменов. Очевидно, дальнейшее развитие этого направления способно обеспечить качественно новые методы профессиональной ориентации.

Пост-геномные проекты имеют еще одну сферу приложения - обеспечивают полную и однозначную идентификацию индивидуума при использовании сверхмалых следовых количеств биологического материала. Так, надежной "меткой" являются полиморфные фрагменты ДНК, амплифицированные**** с помощью полимеразной цепной реакции. Использование этого феномена широко внедряют на практике, он не имеет конкурентов по чувствительности и однозначности выбора искомой личности и ныне составляет основу современной судебно-

* Гемостаз - комплекс реакций, направленных на остановку кровотечения при травме сосудов. Система гемостаза - более сложное понятие, включающее факторы, принимающие участие в сохранении жидкого состояния крови, регуляции обмена, резистентности сосудистой клетки, и т.д. (прим. авт.).

** Среди генов, контролирующих процесс канцерогенеза, выделяется группа генов-супрессоров опухолей, механизм "неверного функционирования" которых связан с возникновением точечных мутаций, передаваемых по наследству (прим. авт.).

*** См.: А. Иваницкий. Физиологические основы сознания. - Наука в России, 2007, N 3 (прим. ред.).

**** Амплификация - процесс образования дополнительных копий участков хромосомной ДНК (прим. ред.).

Фермент гранзим-В из семейства сериновых протеаз наиболее мощно активизирует заложенный в клетках генетический механизм их распада (апоптоза). Играет важную роль в защите от вирусных инфекций, рака. Красным цветом обозначены позиции, в которых возможны единичные замены аминокислот, приводящие к вариациям индивидуальной восприимчивости человека к болезни.

медицинской экспертизы. Большая работа в этом направлении с выявлением всех возможных дефектов и трудностей описанного подхода сделана доктором биологических наук Львом Животовским* из Института общей генетики им. Н. И. Вавилова.

Молекулярно-генетический анализ становится незаменимым для решения научных задач многих гуманитарных наук. Скажем, современный подход к определению происхождения и эволюции этносов основан на изучении структурных особенностей геномной ДНК, передающихся из поколения в поколение. Возникли новые направления - этногеномика и этногеография, в рамках которых получены удивительные результаты, открывающие неизвестные ранее страницы генетической истории человечества, записанной в некоторых ДНК-маркерах. Например, названные методы позволяют внести ясность в сложные вопросы взаимодействия различных этносов, представленных в России. Этой трудоемкой работой заняты доктор биологических наук Светлана Лимборская из Института молекулярной генетики с сотрудниками и доктора биологических наук Лев Животовский и Эльза Хуснутдинова.

Геномные, протеомные и пост-геномные исследования составляют основу формирующейся области, которую можно назвать гуманитарной технологией. Вышеуказанные аналитические методы в совокупности с развиваемой генетической и клеточной терапией составляют базу активного положительного вмешательства в молекулярно-генетические основы человека и общества. В России существенным этапом в этом направлении стал совместный проект РАН и МГУ.

Книга, написанная по результатам первых лет нашей работы, вводит читателя в мир пост-геномных идей, где причудливым и невероятным образом пересекаются достижения физики и химии, биологии и медицины, математики и информатики, многих гуманитарных наук. Социальная значимость указанного направления чрезвычайна, ибо совершенные открытия затрагивают каждого и предоставляют невиданные возможности, которые с каждым годом будут расти, превосходя самые смелые ожидания.

Иллюстрации предоставлены автором

* См.: Л. Животовский. Гены и расы: все мы одного роду-племени. - Наука в России, 2004, N 4 (прим. ред.).

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: