Тайна генома человека

13.01.2017

2357

Результаты и отдаленные перспективы расшифровки генома человека. Роль протеинов в формировании ДНК. Генетика для создания лекарств.

Это случилось 15 мая 2000 года на пресс-конференции в Белом доме, где руководитель фирмы «Cetera Genomics» Крейг Вентер заявил: «Это — величайшее событие за все сто тысяч лет человеческой истории…» Сенсацией стала «расшифровка» генома — совокупности человеческих генов.

Сразу же оговоримся, что под фразой «расшифровка генома», столь прижившейся на страницах журналов и газет, здесь и далее понимается составление точной последовательности нуклеотидов, что содержатся в молекуле человеческой ДНК, а не открытие всех имеющихся в ней генов.

В то же время в Лондоне проходила другая пресс-конференция, на которой главный редактор авторитетного журнала «Nature» Филип Кэмпбелл урезонивал ликующую публику: «Я перестаю понимать что-либо. Карта генома составлена на 97 процентов, расшифрована всего на 85 процентов, а истолкована лишь на 24 процента. Для чего они устроили эту пресс-конференцию?»

Многие противники Вентера также не понимали шумихи, развязанной вокруг расшифровки генома, ведь знание последовательности четырех нуклеотидов, из которых составлена нить ДНК, еще не дает никакого представления о том, как действует вся эта схема. Точно так же детали автомобиля, сложенные в одну огромную коробку, не помогают понять, с какой скоростью машина, собранная из них, домчится из пункта А в пункт В.

Важно знать не только набор непонятных значков, но и разобраться, где в этом странном тексте скрыты те или иные слова (гены). В генах — отдельных значимых участках ДНК — заложена информация о том, как изготавливать различные протеины и ферменты: эти вещества руководят всеми химическими процессами, протекающими в организме. Именно от генов зависит, какой протеин или фермент будет построен или с какой частотой будут повторяться соответствующие химические процессы.

Однако выявить гены нелегко. Точное число их неизвестно. В спирали ДНК имеется три миллиарда двести миллионов нуклеотидов, но в основном это «биологический» мусор, «чистая пленка», на которой ничего не записано. Гены занимают очень небольшую часть ДНК — около пяти процентов. Поэтому, даже расшифровав геном, ученые остаются в неведении, где тут гены, а где ничего не значащие участки. Представьте себе, что перед вами лежит видеокассета без всяких ярлычков. Разве вы сумеете по внешнему виду определить, есть ли на ней запись или нет?

Итак, надо выделить все наши гены, а потом выяснить, какую роль они играют в человеческом организме. Сразу же возникает один серьезный вопрос: сколько у человека генов? Еще учебники по биологии, написанные в 70-е годы прошлого века, утверждали, что у человека имеется от 70 до 100 тысяч генов. Лаборатории, занятые расшифровкой генома, поначалу надеялись, что удастся обнаружить (и запатентовать!) 150 000 генов. Однако по новейшей оценке ученых у нас всего 40 000 генов. Выходит, что в организме человека — «венца природы», способного на сложнейшие действия, только в два раза больше генов, чем в тельце червя Caenorhabditis elegans, состоящего всего из 959 клеток.

Странно! Неужели мы мало чем сложнее червя? Для чего нужен весь остальной «хлам»? Непонятно назначение всех этих «пустых» участков генома. Словом, поиск и истолкование генов, очевидно, займет гораздо больше времени, чем «расшифровка» генома. Вот они, многолетние будни генетиков!

Но вначале был праздник. «Мы делаем что-либо не потому, что это легко, а потому, что это тяжело. Только так можно достичь величия» — такими словами в понедельник 26 июня 2000 года президент США Билл Клинтон объявил об «одном из величайших достижений мысли за всю историю человечества». Впрочем, последнюю оценку дал не Клинтон, а один из главных участников этого события — Майкл Декстер, руководитель британской части международного проекта HGP (Human Genom Project — Проект по изучению человеческого генома).

В торжестве в Белом доме, благодаря спутниковой связи, принимали участие британский премьер Тони Блэр, а также исследователи генома Крейг Вентер и руководители проекта HGP. Конечно, пришлось проявить дипломатические таланты, чтобы одновременно пригласить непримиримых соперников в области расшифровки ДНК При составлении карты человеческого генома между ними шел упорнейший спор. Сотрудники фирмы Celera оказались быстрее, расшифровав за полтора года, как сообщил Вентер, 99% генома. Их конкурентам, участникам проекта HGP, потребовалось 10 лет, чтобы разгадать 97% генома.

«По своему значению это превосходит высадку человека на Луну. Я могу сравнить это открытие лишь с изобретением колеса, — восторженно заявил Майкл Декстер, явно укрупняя масштаб достигнутого. — Генетический код является квинтэссенцией человечества и будет актуальным, пока существуют люди».

Отклики прессы тоже были самыми восторженными. Газета «Нью-Йорк таймс» оповестила читателей о «революции в медицине». Произошло «важнейшее событие в науке за последние сто лет» — вторила ей канадская газета «Глоб энд мейл».
Ученые сумели отвоевать у природы тайный план, по которому построен человеческий организм. Теперь, заявил Билл Клинтон, «мы научимся понимать язык, на котором Бог сотворил жизнь».

Эти события оказались в центре внимания СМИ, а вот другие недавние достижения генетиков — расшифровка геномов ряда животных (в основном микроорганизмов) — остались в тени. Еще весной 2000 года фирма Celera представила последовательность генов плодовой мушки Drosophila melanogaster, непременной участницы почти всех генетических открытий. В октябре того же года был расшифрован геном мыши — важнейшего модельного организма, помогающего исследовать человеческие болезни.

Прочитаны также геномы более полусотни микробов. Есть в этом списке и возбудители опасных заболеваний, например, туберкулеза и менингита. Ученые детально исследовали также геном бактерии Pseudomonas aeroginosa, вызывающей газовую гангрену. Теперь они выясняют, каким образом эти бактерии поражают человека и размножаются в нем, что в дальнейшем поможет найти новые методы лечения и создать эффективные лекарства.

Предварительные итоги

Итак, в 2000 году наконец удалось составить точную карту генома человека — получить бесконечный ряд «букв», в котором среди всякого биологического хлама затеряны отдельные «слова», то есть гены. Теперь одни специалисты заняты «биогерменевтикой»: они истолковывают добытую запись, отыскивая среди невнятицы знаков все новые гены. Другие ученые обратились к сотворенному генами — к протеинам.

На первый взгляд структура протеинов кажется очень простой. В их построении участвуют 20 натуральных аминокислот. Все они имеют одну общую формулу. По своей конфигурации аминокислота напоминает букву L. В ее основе лежит группа СН, составленная из атомов углерода и водорода.

Аминокислоты — это соединения, сочетающие свойства и кислоты, и щелочи. Если несколько аминокислот соединены друг с другом, возникает протеиновая цепочка. Ее можно сравнить с жемчужным ожерельем, где вместо жемчужин нанизаны аминокислоты. Схема расположения аминокислот четко определена генами.

В водном растворе цепочка аминокислот сворачивается в характерный клубок, каждый протеин имеет свою особую пространственную структуру. Сейчас известно лишь в общих чертах, по каким законам образуется этот клубок. Пока ученых больше всего изумляло разнообразие имеющихся в природе вариантов. Так, протеиновая цепочка, состоящая всего из 90 аминокислот, может в принципе образовать до десяти в восьмидесятой степени (единица с 80 нулями!) различных пространственных структур. Правда, из всего этого разнообразия в природе может реализоваться в виде биологически активных молекул лишь очень небольшое число вариантов.

Объясняется это разнообразие тем, что в клубке аминокислот между атомами соседних витков возникают особые водородные связи. Они устанавливаются между атомами водорода, с одной стороны, и атомами кислорода, азота и серы, с другой стороны.
Если что-то в этих связях нарушится, образуется дефектный белок. Это та опасность для организма, которая может привести к тяжелому заболеванию. Например, такая известная сейчас болезнь как коровье бешенство, или губчатая энцефалопатия мозга, вызвана именно появлением в организме дефектного белка — приона (от английской фразы protein infectious— «инфекционный протеин»). Как только к человеку попадает в пише этот «белок-убийца», организм начинает его копировать, что в конечном итоге приводит) к гибели.

Сохранение правильной структуры протеинов — жизненно важная задача. Поэтому в живых клетках имеются особые молекулы — шапероны, которые следят за тем, чтобы дефекты не возникали. Функции этих молекул и способ их действия были выяснены лишь в последние годы.

Подведем предварительные итоги. Гены — это всего лишь «инструкция», «схема», по которой изготовлен подлинный «продукт» — протеины. Говоря образно, гены — поваренная книга, содержащая тысячи рецептов; протеины — угощение, приготовленное с их помощью.

Все живые организмы состоят прежде всего из протеинов. В жизненно важных процессах, протекающих внутри организмов, участвует невероятное их множество. Для большинства биохимиков стало теперь ясно, что многообразие жизненных процессов нельзя сводить исключительно к генам. Его обеспечивает другая стадия — стадия протеинов.

В начале XX века протеины уже находились в центре внимания ученых. Именно тогда ученые пришли к выводу, что белковые молекулы являются основными участниками жизненных процессов, и назвали их «протеинами» (от греческого слова protos — «первый»). Когда в середине века было доказано, что молекулы| ДНК содержат уникальную информацию о структуре белка, которая затем реализуется в виде цепочек аминокислот, тогда внимание ученых переключилось на генетический код живых организмов. Интерес вызывали прежде всего нуклеиновые кислоты, в частности ДНК и РНК, а вот протеины казались теперь чем-то второстепенным.

Еще в 60-е годы ученые выяснили приблизительный механизм возникновения протеинов. В ядре каждой клетки тела (за исключением красных кровяных телец) содержится точная схема всех протеинов, из которых состоит организм. Текст этой оригинальной инструкции представляет собой бесконечную цепочку из четырех нуклеотидов (азотистых оснований). Их комбинации составляют схему строения некоего протеина. Эта схема, как уже сказано, хранится в ядре клетки.

Перспектива-I: протеом

До недавнего времени считалось, что у каждого гена имеется схема всего одного протеина с одной-единственной функцией. Однако теперь выяснилось, что все гораздо сложнее, чем полагали прежде. Так, у человека один и тот же ген иногда участвует в синтезе нескольких протеинов (всего их может быть до двух десятков!).

Мало того, многие протеины со временем меняются, и гены никак не влияют на этот процесс. Происходит это путем присоединения к белкам особых побочных групп — фосфатидов, сахаридов или ненасыщенных углеродных цепочек. Все эти преобразования, как и формирования пространственной структуры протеина, никак не отмечены в каких-либо схемах (генах).

Другими словами, даже если генетикам удастся полностью истолковать весь геном, они — вернемся к нашему кулинарному сравнению — окажутся в положении посетителя ресторана, который заказал несколько блюд из предложенного ему меню, но, когда их список был отправлен на кухню, с удивлением узнал, что на этой «протеиновой кухне» все равно приготовят «что-нибудь на свое усмотрение», выбрав такие добавки и приправы, о каких в заказе не было и речи.

По аналогии с геномом — совокупностью всех человеческих генов — сумму всех протеиновых молекул, сформированных в клетке в определенный момент времени, называют «протеомом». Геном говорит, какие процессы могут теоретически протекать внутри данной клетки, а протеом, судя по имеющимся в наличии протеинам, подсказывает, что в самом деле здесь происходит.

Геном имеет неизменный вид — протеом постоянно меняется. Ведь на состав протеинов влияют самые разные факторы: выбор питательных веществ и приток кислорода, перенесенный внезапно стресс, принятые по рецепту лекарства, и даже механическое давление. Организм все время реагирует на состояние окружающей среды, пытаясь сохранить физиологическое равновесие (например, нормальное кровяное давление или температуру тела, равную 36,6 °С). Для этого приходится нейтрализовать влияние внешних факторов, которые стремятся, наоборот, вывести организм из равновесия. Эта борьба протекает с переменным успехом, например, при недоедании приходится тратить накопленные прежде питательные вещества; если же в них наблюдается избыток, то можно отложить порцию их про запас. Все эти процессы связаны с синтезом, метаморфозом и разложением протеинов. Итак, «протеом» — это опись имущества клетки по состоянию на данную минуту или моментальное фото, запечатлевшее одно из мгновений в жизни клетки.

Анализировать протеины труднее, чем подсчитывать и оприходовать гены Ведь протеины подчас изменчивы, как Протей; они меняют свою структуру, если меняется окружающая их среда, и, в отличие от ДНК, их вряд ли размножишь в пробирке. Если расшифровка генома (точнее, составление его карты) была автоматизирована так, что «с ней справилась бы любая обезьяна», как насмешливо заметил нобелевский лауреат Джеймс Уотсон, один из открывателей структуры ДНК, то методы анализа протеинов гораздо сложнее.

Однако, невзирая на эти проблемы, все больше университетских ученых берется за честолюбивую задачу — анализ протеома. Их увлекают новые методы лечения больных и синтез новых лекарств. Если удастся полностью описать протеомы различных клеток, то можно было бы и фиксировать изменения, происходящие с ними. Очень важно знать, что происходит с клетками человека, когда он сидит на диете или занимается спортом, принимает лекарства или получает травму. А как меняется запас протеинов с возрастом? А чем ответит протеом на появление в организме раковой опухоли?

Отвечая на вопрос, для чего нужна расшифровка генома, ученые неизменно вспоминали, что знание генов поможет оберечь человека от наследственных недугов. Однако не все болезни передаются нам по наследству. Многие никак не связаны с «родовым проклятием». Выявить эти болезни в зародыше можно, лишь узнав, как внезапно изменился состав протеинов внутри наших клеток. Поэтому ученые стремятся понять, какие протеины неожиданно появляются в организме при том или ином недуге, постигшем его, а какие, наоборот, сразу же исчезают. По этим переменам в перечне протеинов можно узнать о подспудных процессах, начавшихся в организме. Узнать и вовремя вмешаться.

Таким образом, одну из важнейших целей, стоящих перед учеными, занятыми анализом протеома, можно сформулировать так: поиск характерных изменений протеома, присущих различным видам заболеваний. Это облегчит диагностику (позволит, например, распознавать разные виды опухолей) и поможет избежать неправильного лечения. В то же время собранные сведения дают возможность выбрать четко обоснованную терапию. Болезнь можно будет лечить применительно к анатомии и физиологии данного конкретного человека. Наконец, упомянем еще одну причину, по которой биохимики увлеченно занимаются протеомом: в клетках человека имеется множество совершенно непонятных протеинов — лишь тщательное наблюдение за ними позволит уяснить, для чего они нужны.

Но как упростить этот метод, чтобы можно было быстро анализировать содержимое клетки?

Перспектива-II: лекарства для каждого человека

Чтобы увидеть состав протеома, ученые прибегают к двухмерному гелевому электрофорезу. Процедура эта протекает в два этапа. Сперва протеины клетки сортируются по их заряду. Затем они попадают в полимерный гель. Он играет роль сита здесь протеины разделяются по их величине Затем их маркируют; в прозрачном растворе хорошо видны крохотные черные, синие или флуоресцирующие пятнышки. Вот так можно составить что-то вроде визитной карточки данной клетки, — карточки, в которой примерно указан состав протеинов. Если человек заболеет, узор пятен на «карточке» — электрофореграмме — изменится. Регулярно сравнивая протеомы больной и здоровой клетки, можно совсем по-иному взглянуть на течение болезни и процессы, ей сопутствующие.

Чтобы распознать, какие протеины скрыты за красочными точками, пятнающими «визитную карточку», биохимики придумали новый метод. С помощью особых «режущих ферментов» можно разложить любой неизвестный нам протеин на крохотные составляющие — их легче анализировать. Так появляется новая картинка, ведь у каждого протеина свой особый набор элементов.

Этот процесс можно не только наблюдать в лаборатории, но и имитировать на компьютере. Когда речь идет об уже известных протеинах, ученые располагают банком данных, где собраны сведения о том, как выглядят продукты разложения того или иного белка под действием определенного фермента. Сравнивая элементы, полученные в пробирке, с каталогом элементов, можно установить, какой протеин был в пробирке. Если ничего похожего в каталоге не нашлось, то с помощью масс-спектрометра исследуют фрагменты протеина.

Ученые стремятся повысить чувствительность этого метода, ведь количество протеинов, которое можно выделить из геля, очень мало. Уже сейчас точность методов такова, что можно идентифицировать миллионную долю миллиграмма.

Впрочем, как и в случае с расшифровкой генома, слышны критические голоса. Раздражает, например, что столько денег тратится на поиски иголки в стоге сена. Ведь по оценкам биохимиков, в сложных клетках насчитывается до 30 тысяч протеинов. Функции большинства этих белковых молекул пока неизвестны.

Вальтер Шуберт из Магдебургского университета предлагает другую методику. Он считает ненужным разлагать протеин для его идентификации. С помощью запатентованной недавно лазерной технологии он исследует сети, свитые внутри клетки крупными протеинами. Его интересует не состав протеинов, а то, как они ведут себя, реагируя на изменения в организме. Действуя по такой схеме, можно довольно быстро выявить важнейшие протеины, которые отвечают за ту или иную болезнь.

Кстати, вместе с коллегами Шуберт сумел обнаружить в таком вот ключевом протеине, что встречается в клетках опухолей, особую «ориентационную память», которая дает им возможность образовывать в организме метастазы.

Как только удастся выявить протеин, вызывающий болезнь, можно изготовить лекарство, которое справится с ней. По этому методу уже разработаны ингибитор (от латинского слова inhibeo — «сдерживаю», «останавливаю») для сдерживания протеолитичес-ких ферментов, используемый при лечении больных ВИЧ-инфекцией, а также ингибитор для сдерживания нейраминазы, используемый при лечении больных гриппом.

Однако фантазии биохимиков простираются дальше. Им грезятся индивидуальные лекарства. Если прежде врачи могли лишь осторожно предлагать больному тот или иной препарат, надеясь, что он ему поможет, то теперь ученые полагают, что, зная содержание протеинов, можно в точности подобрать лекарственные компоненты, которые нужны именно этому пациенту.

Конечно, пока еще даже не ясно, сбудутся ли эти мечты, однако уже сейчас фармацевты и генетики объявили протеомику одним из важнейших направлений науки XXI века.

Среди тех, от кого ожидают успехов, возможно, окажется и Крейг Вентер — человек, сделавший себе имя на расшифровке генома.

Читать дальше: