Взятие 18-й хромосомы

6 декабря 2010, 12:27

У российских ученых есть все возможности быть первыми в масштабном международном проекте «Протеом человека»

Константин Батынков

Осенью этого года официально стартовал международный проект «Протеом человека», который считают еще более амбициозным, чем завершенный «Геном человека». Россия, в первом проекте участия не принимавшая, может отличиться, с честью выполнив свою часть работы. О проекте рассказывает академик РАМН, директор НИИ биомедицинской химии им. В. Н. Ореховича, член рабочей группы проекта HUPO (Международная организации по изучению протеома человека) Александр Арчаков.

Александр Иванович, почему проект «Протеом человека» стартовал лишь в этом году, хотя попытки инвентаризации белков начинались еще в начале девяностых?

— Об этом проекте впервые заговорили в 2005 году, через несколько лет после успешного завершения проекта «Геном человека». Его можно считать логическим продолжением или аналогом проекта изучения генома. Если «Геном человека» предполагал анализ информационного материала человека, то наш проект — это анализ всех белков, информация о которых заложена в геноме. Я сравниваю геном с эскизом машины, а протеом — с реальной, работающей машиной. Анализ генома позволяет понять механизмы зарождения заболеваний, анализ протеома даст возможность по-новому подойти к профилактике, диагностике и лечению болезней.

Кто участвует в проекте?

— Пока выразили готовность принять участие восемь стран — Япония, Южная Корея, США, Швеция, Китай, Россия, Канада и Иран, которые выбрали по одной хромосоме. Мы выбрали 18-ю хромосому.

Но если стране достается только одна хромосома, то участников проекта должно быть 23 или 24, если последнюю пару половых хромосом разбить на мужскую и женскую.

— Мы в самом начале пути. Пока принято решение, что первые три года будут пилотными. Я надеюсь, что за это время к проекту подключатся и другие участники. Для пилотной стадии были выбраны самые небольшие по размеру хромосомы в организме человека. Наша 18-я хромосома содержит 286 генов, кодирующих различные белки.

Что нужно сделать в рамках проекта и почему его называют более амбициозным по сравнению с геномным?

Александр Арчаков считает, что исследования в рамках проекта «Протеом человека» позволят создать совершенно новые средства диагностики и лекарственные препараты Эксперт 48 40-87 Даниил Примак
Александр Арчаков считает, что исследования в рамках проекта «Протеом человека» позволят создать совершенно новые средства диагностики и лекарственные препараты
Даниил Примак

— Нам нужно инвентаризировать белки, которые кодируются генами 18-й хромосомы. Если вы думаете, что их всего 286, то сильно ошибаетесь. 286 — это основные, или так называемые мастерные, белки. Но дело в том, что практически каждый белок проходит ряд модификаций (а этот ряд может достигать и 100 вариантов). Поэтому мы подсчитали, что нам придется найти и определить аминокислотную последовательность примерно 30 тысяч белков.

Если во всем геноме около 21 тысячи генов экспрессируют белки, то, по прикидкам, может быть обнаружено примерно два миллиона модифицированных белков. Таков объем предполагаемых исследований.

Но ведь какие-то из этих белков известны, для некоторых даже сделан кристаллографический анализ структуры…

— Это всего лишь крохотная часть всего белкового айсберга. Из предполагаемых двух миллионов белков плазмы что-то известно лишь о трех-четырех тысячах, структур же пока сделано вообще очень мало.

А сколько белков известно из кодируемых 18-й хромосомой?

— В плазме обнаружено 46 «наших» белков. То есть известна их аминокислотная последовательность, известно, что какие-то из них — ферменты, какие-то — сигнальные и так далее, но все функции не известны. На пилотном этапе мы ставим перед собой задачу инвентаризовать все мастерные белки этой хромосомы. Пилотный этап продлится три года. Второй этап сроком пять лет уйдет на обнаружение всех 30 тысяч белков нашей хромосомы.

В чем заключается сложность обнаружения белков?

— Если для анализа генома существует очень хорошая технология — так называемая полимеразная цепная реакция, которая может синтезировать нужные отрезки ДНК, чтобы идентифицировать ген, — то такой уже рутинной технологии для обнаружения белков на сегодня нет. Единственная альтернатива — повышение чувствительности методов, которые мы используем в работе. Чтобы не загружать техническими подробностями, скажу только, что эти методы основаны, в частности, на двумерном электрофорезе, масс-спектрометрии, иммуноферментном анализе, атомно-силовой микроскопии. Современные белковые технологии идентифицируют миллиарды и триллионы молекул в литре биожидкости. Мы подошли к уровню обнаружения миллиона молекул, что на три-шесть порядков лучше. Это значит, что мы уже способны регистрировать отдельные молекулы в одном микролитре биожидкости.

Уникальные технологии, разработанные биохимиками и физиками, дадут возможность обнаруживать одну копию молекулы в одном микролитре Эксперт 48 40-87 Даниил Примак
Уникальные технологии, разработанные биохимиками и физиками, дадут возможность обнаруживать одну копию молекулы в одном микролитре
Даниил Примак

Но чувствительность методов в протеомике не единственная сложность. Сложность в постоянной динамике протеома. Вот вы родились с одним геномом, и он существенно в течение жизни не поменяется. Но вы зашли ко мне с одним протеомом, а выйдете с другим. Мы предложили рассматривать две среднестатистические группы: практически здоровых людей и больных. Нам повезло, что у нас в стране еще есть группа «абсолютно» здоровых людей — это очень хорошо обследованные кандидаты в космонавты.

В рамках нашего проекта будет медицинская часть, в которой предполагается проводить исследования протеома больных. Ведь у онкологических больных будет свой особый протеом, у диабетиков — другой, у больных сердечно-сосудистыми заболеваниями — третий.

Известно ли, с какими заболеваниями ассоциированы белки 18-й хромосомы?

— Полностью, конечно, не известно. Но, по данным геномного анализа и по некоторым данным из научной литературы, пока мы знаем примерно о 70 заболеваниях, которые могут быть связаны с ней, в частности это шизофрения,
болезнь Альцгеймера, некоторые онкологические заболевания.

Знания о протеоме дадут возможность проводить совершенно новую диагностику и соответственно новое лечение?

— Конечно. Ведь заболевание связано с ошибками в работе белков, это может выражаться как в их количестве, так и в модификациях. Появятся новые виды диагностики, которые будут определять протеом биоматериала и говорить о том или ином заболевании. Знание белков-мишеней различных заболеваний позволит создавать новые лекарственные препараты, которые будут точечными, а стало быть, более эффективными и безопасными.

Достаточно ли будет для практического применения знаний лишь об одной, к примеру о 18-й, хромосоме?

— Настоящая революция в медицине произойдет лишь тогда, когда будет создан полный атлас протеома человека. Но по ходу исследований все время будут появляться новые знания, новые биомаркеры и новые мишени для создания новых диагностикумов и инновационных лекарственных препаратов.

Как и кем финансируется проект?

— Примерный объем финансирования — около 10 миллиардов долларов. Международная протеомная организация готовит письма к руководителям государств с просьбой поддержать проект. Предполагается также создание консорциума.

Наша страна проект уже поддержала. В апреле было принято соответствующее решение Совета генеральных конструкторов под председательством Сергея Иванова. Минобрнауки выделило средства уже на этот год.

Мы, кстати, оказались единственной страной, которая к моменту старта проекта уже имела «дорожную карту» развития своей части «Протеома человека».

Обладаете ли вы соответствующей технологической базой для осуществления этого проекта?

— Да, мы оснащены самым современным оборудованием — как, пожалуй, лишь немногие европейские научные учреждения. Но приборная база очень быстро развивается, поэтому постоянное ее обновление необходимо.

Однако проблема не только с финансированием, но и с законодательством. Международный проект плохо вписывается в наши законы и правила. Знаменитый 94-й закон распространяется на науку так же, как на торговлю. Участники проекта должны были выигрывать свои лоты (части проекта) в конкурсах. И так получилось, что кроме организаций, профессионально занимающихся проблемой протеомики, победителями конкурса смогли стать и группы, никакого отношения к этой науке не имеющие.

Разве при этом не учитываются критерии профессионализма?

— В том-то и дело, что по этому закону главным критерием становится более низкая стоимость, предложенная претендентом. Меня больше всего волнует, что эти группы попросту не смогут выполнить ту часть работы, за которую они берутся.

И как вы собираетесь решать эту проблему?

— Сейчас мы с двумя министерствами — Минобрнауки и Минздравсоцразвития — создали научно-технический совет (НТС), который будет в том числе контролировать и координировать работу всех участников проекта. Если кто-то не будет справляться, будут приниматься соответствующие решения, ведь на кону престиж страны. Победителем в этой научной гонке будет та страна, которая первой сделает протеом выбранной хромосомы.

А не может ли случиться так, как случилось с проектом «Геном человека», когда гонку выиграла не международная организация, а фирма «Селера»?

— Это не совсем так. В «Геноме человека» два победителя: международная организация и «Селера». Многие частные компании занимаются идентификацией различных белков, но создание полного протеома человека, по моему мнению, сейчас не под силу ни одной компании. Впрочем, технологии развиваются довольно быстро; возможно, в ближайшее десятилетие будут серьезно усовершенствованы и станут значительно дешевле методы детекции, идентификации белков, создания их кристаллических структур.

Что даст проект медицине?

— Конечно, сам по себе проект «Протеом человека», как и в значительной мере «Геном человека», — это прежде всего фундаментальные исследования. Но его практическая, медицинская значимость тоже вполне очевидна. В результате осуществления проекта «Геном человека» появилась новая геном-ориентированная медицина, а после реализации проекта «Протеом человека» появится протеом-ориентированная медицина, которая должна стать основой персонифицированной медицины. Если «Геном человека» дал современной медицине очень важную информационную составляющую, то в случае успешного завершения проекта «Протеом человека» мы получим совершенно новую медицину, в основе которой будут лежать сведения о молекулярных машинах-белках. У нас в руках будет совершенно новый инструмент, позволяющий ориентировать врача на ту ситуацию, которая уже существует в организме человека, а не на ту, которая только предсказывается в результате геномных исследований. Поэтому две составляющие — геномная и протеомная — являются абсолютно необходимыми для новой персонифицированной медицины.

В «дорожной карте» предусмотрена разработка новых диагностик и лекарств. В частности, речь идет о создании научно-исследовательского комплекса на основе комбинирования атомно-силового микроскопа с масс-спектрометром, а также медицинского детектора на нанопроводах. Это всё наши разработки. Аналогов на мировом рынке нет. Успеем ли мы быть первыми — вопрос организации и финансирования этих работ.               

Организации, принимающие участие в российской части проекта «Протеом человека»

• Институт медико-биологических проблем РАН

• Институт биомедицинской химии РАМН

• Институт биоорганической химии РАН

• Институт энергетических проблем химической физики РАН

• Институт физики полупроводников СО РАН

• ФГУ «Российский научный центр “Курчатовский институт”»

• Международный томографический центр СО РАН

• Центр «Биоинженерия» РАН

Компании: ЗАО НТ-МДТ, ООО «Интерлаб», НП «Центр протеомных исследований», ООО «Акрус Органикс»