Миллион… Миллион? Миллион протеинов!

Живая жизнь — это чудо! Как она исследуется? Важнейшими направлениями молекулярной биологии в начале XXI века становятся «реномика» и «протеомика».

Что наши гены? Они — лишь «схема», по которой изготовлена подлинная загадка природы: протеины, то есть белки. В процессах, протекающих в организме, участвует множество белковых молекул. Однако исследование белков — задача куда более сложная, чем расшифровка генома.

«Забудем про геном» — было сказано недавно на одной из научных конференций. А ведь, в самом деле, расшифровка человеческого генома была «детской игрой» по сравнению с новым проектом биологов: они хотят описать все белки, содержащиеся в организме человека, и понять, как те функционируют, как взаимодействуют друг с другом.

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. 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 пульт 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.

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.

Попутно биохимики проверяют, как ведет себя эта молекула, — действует ли она в одиночку или вместе с другими протеинами. Оказывается, белковые молекулы чаще всего действуют сообща. Это тоже стало неожиданностью для ученых. Долгое время считалось, что белки выполняют свои функции поодиночке.

В опытах, проведенных немецкой фирмой «Cellzome» и канадской фирмой «MDS Proteomics», удалось выявить в дрожжах сотни комплексов белковых молекул. В некоторые объединения входило до 80 белков. Одни из этих товариществ сохранялись долгое время; другие распадались, едва возникнув.

Немецкий исследователь Петер Ютц подсчитал во время эксперимента, что 1548 белковых молекул дрожжей совершили свыше 2350 различных совместных действий.

Подобный коллективизм заметно затрудняет исследование. «Структурный анализ белков нельзя автоматизировать, как автоматизировали исследование генома. Молекулы ДНК относительно неизменны и одинаковы — любую из них можно исследовать по одной и той же схеме. А вот протеины — сущие эксцентрики: ни один не похож на другой», — так прокомментировал планы коллег немецкий биолог Роберт Хубер в интервью журналу «Bild der Wissenschaft».

Очевидно, что-то изменится с внедрением метода ядерно-магнитной резонансной спектроскопии, позволяющего исследовать трехмерную структуру белковых молекул. Разработал его швейцарский биофизик Курт Вютрих, удостоенный в 2002 году Нобелевской премии по химии.

По отзывам специалистов, данный метод позволит в обозримом будущем составить атлас всех человеческих белков. С его помощью удается фиксировать изменения атомных ядер под действием электромагнитного излучения. Проще всего исследовать атомы водорода. Любая белковая молекула содержит сотни, а то и тысячи атомов водорода. Если удастся опознать отдельные атомы, то можно примерно представить себе структуру молекулы. Однако данный метод пригоден лишь для исследования небольших белковых молекул. Впрочем, говорит Вютрих, в ближайшие лет десять не следует и надеяться на то, что появится автомат, который по одному нажатию кнопки выдаст вам трехмерное изображение того или иного белка.

Что касается крупных белков, то некоторые исследователи, стремясь понять их структуру, прибегают даже к математическим методам — пробуют просчитать, какая из возможных форм молекулы была бы наиболее стабильна. Создав компьютерную модель, они проверяют на практике, верен ли их прогноз. Впрочем, пока не удалось создать надежную схему прогнозирования структуры белко-вых молекул. Одно слово — «эксцентрики»!

Зачем они нам нужны? Зачем мы изучаем протеины?

Платить по фальшивым счетам

Затем, что мы болеем. Снова прибегну к сравнению. Геном — это русло реки, проложенное поколениями потоков, проносившихся по нему. Протеом — это бурление и плеск миллиона капель, мчащихся по реке в данную секунду. Мы можем описать идеальный поток, соответствующий этому руслу, а по сиюминутной фотографии, сравнив ее с эталоном, поймем, что сейчас — половодье или сушь, или на Энском горнообогатительном комбинате в очередной раз прорвало очистные сооружения. Точно так же, сравнив состояние человека с идеальным протеомом, можно понять, какими недугами он страдает. Ведь многие наши болезни вызваны нарушениями синтеза протеинов — их перепроизводством или дефицитом.

Так, при болезнях, вызванных неправильным обменом веществ, в организме наблюдается недостаток белковых молекул или они бездействуют.

Если белков слишком много или они проявляют повышенную активность, человек может заболеть раком.

Некоторые болезни, например, «коровье бешенство», вызваны появлением в организме дефектного белка — приона (от английского выражения protein infectious, «инфекционный протеин»). Как только в организм человека попадет этот «белок-убийца», начинается его копирование, что приводит к гибели жертвы.

Анализ протеома — это путь к созданию новых лекарств. Особенно важно сравнение протеомов здоровых и больных людей. Это позволит понять, какие белковые молекулы играют ключевую роль в развитии тех или иных заболеваний. Работы впереди — непочатый край. Все предстоит открыть и понять заново. Как вырождаются клетки, когда человек болен раком желудка? Как стареют клетки сердечной мышцы? Что происходит при воспалении хряща? Как меняются ткани тела под воздействием гормонов? Выявив эти изменения, можно улучшить диагностику заболеваний и проводить целенаправленное лечение.

Так, сотрудники Боннского университета определили характерный состав белков при той или иной форме рака простаты.

Американские исследователи Ланс Лиотта и Эмануэль Петрикоин разработали тест, позволяющий выявить рак яичников на ранней стадии. В основе теста — использование протеинового чипа.

По прогнозам специалистов, в ближайшем будущем появится аналогичный тест для выявления рака поджелудочной железы.

Особый интерес вызывает плазма крови. Предположительно, в ней содержатся все виды протеинов, выработанных организмом человека. А значит, любая болезнь, перенесенная нами, оставляет мету в крови — в этом архиве, хранящемся в наших жилах. Недавно под эгидой HUPO стартовал проект по исследованию плазмы крови.

Со временем все эти разрозненные данные о дефектах белковых молекул будут собраны воедино — в образе особой виртуальной клетки. Если ввести в эту модель новое лекарство, то экран тут же покажет, насколько оно эффективно и каковы побочные последствия применения данного лекарства.

Но неужели можно схематизировать организм человека? «Вы думаете, климат Земли — менее сложная и хаотическая система, чем человеческий организм, — парирует исследователь из Гейдельберга Пер Борк, — тем не менее местные прогнозы погоды на ближайшие день-два не так уж и неточны».

Протеомный анализ мозга

Важное место в планах ученых занимает исследование головного мозга человека. Мозг изобилует белком. В любой его клетке содержится более 10 тысяч различных белковых молекул — больше, чем в любой другой клетке человеческого тела. Их деятельность составляет биологическую основу нашего мышления. Разнообразные гормональные реакции — и даже простое чувство голода — непоправимо вторгаются в ход наших мыслей.

Все эти белковые молекулы постоянно взаимодействуют. Их количество, как и внешний вид, меняется: там к белковой цепочке прилепился кусочек сахара, там — фосфатная группа. Добавьте к этому, что головной мозг удивительно многолик. Любая его клетка не похожа на другую. Все они ведут себя по-разному: одна реагирует на серотонин, другая — на дофамин, третья…

Все происходящее вокруг нас ежесекундно отражается на «содержимом» головного мозга. Переживания, впечатления, воспоминания и идеи оставляют свой — подчас неизгладимый — след в клетках мозга, «перезаписывают» их, как магнитофон — вставленную в него кассету. Как все это прикажете исследовать, измерить, исчислить?

Возьмем, например, такой процесс, как образование синапсов, то есть соединений между отдельными нервными клетками. Что происходит при этом? Чем больше ученые исследуют данный процесс, тем более сложным он кажется.

Под микроскопом видно, как у нервной клетки появляются выросты, как они превращаются в этакие ручки, которыми нейрон шарит вокруг себя. На ручках то вырастают, то исчезают пальчики. Ручки движутся бесцельно, но вот, что-то заметив, один из пальчиков замирает, и тут же в этом направлении вытягивается рука — вытягивается, чтобы схватить руку другой клетки.

В этом хаотичном процессе есть своя закономерность. «И на поверхности нервных клеток, и в разделяющем их пространстве имеется множество сигнальных молекул, — говорит немецкий нейробиолог Мелитта Шахнер. — Уже сейчас мы можем назвать около сотни подобных молекул, но, на самом деле, их, наверное, раза в два больше».

Эти сигнальные молекулы, мельтешащие в ткани мозга, образуют бессчетные улицы, трассы, колеи, трубопроводы — гигантскую сеть дорог и коммуникаций, живущую особой жизнью. Сто миллиардов нервных клеток, заключенных в узилище черепа, могут образовывать до ста триллионов синапсов. Тут уж не килограмм мясистой массы — тут настоящий небосвод, испещренный звездами: галактика, вспыхивающая в голове человека в день его появления на свет.

Особенно интенсивно синапсы образуются в раннем детстве. Впрочем, эта способность не утрачивается и в глубокой старости. Мозг человека до последних мгновений жизни готов отражать и воспринимать окружающий его мир. По словам Шахнер, «перед тем как образовать новые синапсы, старые клетки омолаживаются, возвращаясь на ту стадию своего существования, когда они еще способны были образовывать синапсы».

Подтверждает эту гипотезу и тот факт, что одни и те же молекулярные процессы зачастую нарушают развитие мозга человеческого эмбриона

и мешают взрослым усваивать новое. Вот, например, белковая молекула L1 — сигнальная молекула, играющая важную роль в головном мозге. Известны четыре наследственных заболевания, обусловленных дефектом гена, который отвечает за ее выработку. Все эти болезни ведут к резкому ухудшению умственных способностей человека. Отмечено, что подобный дефект наблюдается, например, у детей, чьи матери злоупотребляли алкогольными напитками. Неумеренное потребление алкоголя также нарушает выработку белковой молекулы L1.

Впрочем, было бы наивно думать, что любая белковая молекула имеет строго определенную функцию. Слишком уж сложно устроен головной мозг. «В действительности, — говорит Шахнер, — мы имеем дело с целым клубком молекул». И все же

когда-нибудь, в этом уверены исследователи протеома, мы научимся моделировать, что происходит, если изменяется содержание той или иной белковой молекулы. А меняется оно постоянно.

Немецкий биолог Иоахим Клозе, изучая мышей, констатировал, что их организм более или менее равномерно вырабатывает всего лишь 27 процентов видов белковых молекул. Содержание остальных видов молекул в тот или иной период жизни резко меняется. Очевидно, то же самое, пусть и в других пропорциях, справедливо и в отношении людей.

Однако с возрастом эти перемены происходят все реже. Обмен веществ стабилизируется. В конце жизни — вернемся к опытам Клозе — уже 81 процент всех видов белковых молекул вырабатывается примерно в одном и том же количестве. В преклонном возрасте колеблется лишь уровень выработки примерно пятой части белковых молекул. По мнению исследователей, наблюдение за этими молекулами поможет разгадать тайны старости. Так, мечта о «человеке прозрачном» смыкается с мечтой о «человеке бессмертном».

На все руки протеины

Белковые молекулы впрямь «мастера на все руки». Они состоят всего из двух десятков аминокислот, но те расположены в самой разной последовательности. Вот почему количество видов белковых молекул исчисляется миллионами. Они выполняют в организме человека самые разные функции.

В любом процессе, протекающем внутри нас, хоть одна белковая молекула да участвует.

Сражаться! Антитела — это белки, защищающие организм человека от проникновения бактерий и токсинов. Они атакуют белковые молекулы, находящиеся на поверхности микроба, и нейтрализуют их.

А еще они маркируют вредные бактерии, проникшие в организм, и по этим меткам клетки иммунной системы разыщут незваных гостей и уничтожат их.

По своей форме антитела напоминают латинскую букву Y. Их концевые участки легко видоизменяются. Антитела постоянно пытаются принять новую форму. Если какая-то форма окажется особенно хороша в борьбе с определенным микробом, это будет отмечено в «архивах» иммунной системы человека. В следующий раз, когда такой же микроб проникнет внутрь человека, иммунная система применит новое грозное оружие и расправится с агрессором.

Управлять! Многие белки можно назвать «чиновниками по особым поручениям». К ним поступают приказы, пересылаемые, например, вместе с гормонами, а уж они извещают об этом ядро клетки, где поселились. Все идет своим чередом… Но иногда чиновники, словно соскучившись по верховной власти, сами начинают издавать указы, игнорируя команды, приходящие извне. Так, по их произволу клетка организма «отделяется» от своего государства. Распорядится такой честолюбивый чиновник: «Расти!», и клетка переродится — так, с пустячка, с «бунта

в удельном княжестве» разовьется раковое заболевание. Сейчас ученые исследуют, как можно обуздать этих «чиновников», то бишь белковые молекулы, вздумавшие проявить необычайное рвение. Это позволит пресечь развитие рака на ранней стадии. Методами генной инженерии уже получены антитела, выискивающие таких «бунтовщиков». Они хорошо зарекомендовали себя при лечении некоторых форм рака.

Строить! Белок коллаген — основной строительный элемент нашего тела. Гибкий, прочный, надежный! Из него сложены кости, сухожилия, связки, хрящи, зубы, кожа и кровеносные сосуды. В организме человека почти четверть всех белковых молекул — коллаген. Его молекула устроена гораздо проще многих других. Она напоминает канат, скрученный из трех нитей. Это обусловливает особую прочность коллагена. Попробуйте разорвать канат!

Усваивать пищу! Один из важнейших пищеварительных ферментов — трипсин. Его вырабатывает поджелудочная железа. В тонком отделе кишечника всем распоряжается трипсин. Эта белковая молекула измельчает другие белки, чтобы облегчить поглощение их кишечником. Тело «сжигает» эти осколки, добывая энергию, или конструирует из них собственные белковые молекулы.

Осуществлять перевозки! Один из важнейших белков в организме человека — гемоглобин. Он доставляет кислород из легких ко всем органам тела и забирает оттуда углекислоту. В среднем в организме человека — более полукилограмма гемоглобина. Именно в гемоглобине содержится 80 процентов всего железа, имеющегося в нашем организме. Роль гемоглобина так велика, что природа от добра добра не ищет: структура гемоглобина человека и шимпанзе практически одинакова.

Грибы работают для людей

Генетически измененные грибы можно использовать для выращивания в биореакторах человеческих белков, а значит, для изготовления новых лекарств. Подобный опыт удался группе американских исследователей во главе с Тилманом Гернгроссом.

В сотрудничестве с фирмой «Glyco-Fi» они так модифицировали гриб Pichia pastoria, что процесс «глюкозирования», то есть «подвешивания» к белковым молекулам определенных фрагментов сахаров, протекал у грибов так же, как у человека. Грибы стали вырабатывать белки, снабженные типично человеческими фрагментами сахаров.

Адреса в Интернете

Протеины
Исследование протеинов в Цюрихском университете

Александр Волков