4 Геномика,протеомика,биоинформатика Науки нового века

На рубеже столетий возникли три новые науки, которые сулят человечеству большие перспективы, - геномика, протеомика и биоинформатика. Наряду с этим произошли существенные изменения и в самом принципе организации фундаментальной науки о жизни в целом. Начав с геномики, поскольку она возникла ранее двух других, остановимся на различиях между ней и генетикой, так как иногда их путают. Классическая генетика - наука о наследственности и изменчивости живых систем; а геномика - это установление структуры и выяснение механизма функционирования генома в живых системах. Геномика возникла 10 лет назад вместе с проектом "Геном человека". Стоимость работ по этому проекту составила около 3 млрд $. Задача состоит в том, чтобы определить последовательность всех нуклеотидов в геноме человека с точностью до 0,01 проц. Что же дала геномика? Следует сразу отметить новое понимание молекулярных механизмов заболеваний, новые подходы в создании лекарств, новые диагностические тесты. Появилась фармакогеномика - наука, являющаяся одновременно основой преодоления лекарственной резистентности и основой индивидуальной фармакотерапии. Наконец, геномика положила начало получению трансгенных животных и растений медицинского назначения. Наследственные заболевания, дефекты гена и хромосом дают лишь 2 проц. всех заболеваний, а нарушение экспрессии нормального гена, нарушение регуляции - причина ненаследственных болезней, которые составляют 98 проц. Без преувеличения сейчас можно говорить, что все болезни - от гена: одни - следствие его дефекта, другие - следствие нарушения регуляции его функции. На основании этих данных сформулировалось очень простое понимание, как нужно лечить больных. Если говорить о наследственных заболеваниях, то здесь перспективна генная терапия. Заболевания социально значимые - это следствие нарушения экспрессии генов, они требуют создания новых лекарств. Это новое и, на мой взгляд, фундаментальное понимание болезней человека. Российские достижения в геномике не столь заметны на фоне достижений мировой науки. К сожалению, эта наука развивалась без нас, однако в плане практического приложения геномики, то есть развития молекулярной диагностики, ДНК-диагностики, мы находимся на одном из первых мест в мире. Сейчас помимо полимеразной цепной реакции появились новые подходы - создание целых диагностических полей. Плотность таких ячеек-полей составляет около 1 млн точек на 1 см2, где каждая точка - отдельная проба. На такой биочип можно "положить" сразу весь геном той или иной живой системы. Это, по сути дела, современная нанотехнология. Современные ДНК-поля уже сейчас содержат до 10 тыс. генов на 1 чип. Еще одно достижение геномики - трансгенные животные и растения медицинского назначения. Пять-семь лет назад в США начали создаваться фирмы по производству человеческого гемоглобина. Ген человеческого гемоглобина вводился в яйцеклетку свиньи, затем переносился в суррогатную матку. Свинья рожала поросят, некоторые из них содержали гемоглобин человека. Сейчас Управление по контролю пищевых продуктов и лекарственных средств США наложило жесткие ограничения на все лечебные продукты животного происхождения, и трансгенные животные уже не пользуются такой популярностью. Наша страна осталась одной из немногих, где еще разрешено использование большого количества продуктов животного происхождения в качестве лекарственных средств. Что же пришло на смену? Рисунок из коллекции К.Скрябина демонстрирует возможность создания медицинских продуктов растительного происхождения. Если внести в эту конструкцию вместе с вирусом растений эпитопы антигенов различных микроорганизмов, то растения начнут их экспрессировать. После употребления в пищу таких растений в слизистой желудка и кишечника будут вырабатываться антитела (так называемые мукозальные антитела). В бананах, например, удалось экспрессировать антиген холерного вибриона, антигены вируса гепатита В, и такие вакцины уже проходят клинические испытания. Антигены декарбоксилазы глутаминовой кислоты экспрессируются в картофеле и оказывают в опытах на животных антидиабетическое действие. "Банановый бум" стал в настоящее время реальностью и, по-видимому, такие пероральные вакцины будут иметь право на жизнь. Положение в геномике таково, что ранее доминировавшие государственные научные учреждения (институты и университеты) начинают замещаться коммерческими структурами. Ситуация, когда в фундаментальные науки приходят коммерческие структуры и начинают доминировать, - это совершенно новое явление. Переходя ко второй науке - протеомике - следует сказать, что она совсем молода и достижений у нее пока не очень много. Геномика провела инвентаризацию информационного материала клетки, но действительно работающие структуры - это белки, и протеомика должна инвентаризовать их. Многим эта задача покажется мало реальной. У человека десятки тысяч функционирующих генов, которые могут продуцировать до 10 млн различных белков. Наиболее интересно то, что в протеомике сразу был взят медицинский уклон: в первую очередь стали изучать те белки, которые важны для понимания механизма заболевания и диагностики. Методический подход в этой науке универсален. На первой стадии осуществляется двумерный электрофорез экстрактов нормальной ткани и одновременно патологически измененной, например опухолевых клеток. Из электрофореграммы можно получить до 10 тыс. различных четко идентифицируемых белков. Идентификация выполняется с помощью масс-спектрометрии: определяется молекулярная масса этих фрагментов и, если это необходимо, их секвенируют. Таким образом за день можно проанализировать до тысячи белков. После того как устанавливается, количество каких белков в патологически измененной ткани уменьшилось или увеличилось, эти белки идентифицируются. Во-первых, это важно для установления диагноза, а во-вторых, именно идентифицированные белки могут быть молекулярными мишенями для новых лекарств. Одно из самых впечатляющих достижений протеомики - формирование протеомного индекса человека. Он содержит информацию о 150 биоптатах одной женщины-донора. Идентифицировано 115 тыс. различных белков, экспрессируемые 12 тыс. генов. У человека имеется от 30 до 70 тыс. функционирующих генов, а это значит, что в ближайшее время будет составлен протеомный указатель белков человека для многих органов. Протеомика развивается очень быстро, и российским ученым придется приложить немало усилий, чтобы занять в ней достойное место. Единичные работы уже появились: есть биосенсорная техника и масс-спектрометры, теперь мы можем работать в этой области. Речь идет об использовании протеомики для диагностики гепатитов, построении протеомных карт сыворотки крови и амниотической жидкости для диагностики патологии беременности. Перспективны протеомика "молчащих онкологических заболеваний", построение протеомных карт для промышленно используемых микроорганизмов, различных штаммов М.tuberculosis с целью создания новых лекарств, трансгенных растений медицинского назначения. Наконец, третья наука - биоинформатика - остается лимитирующим звеном в науках о жизни. Есть расхождения в отечественном и международном понимании этого термина. Биоинформатика в международной трактовке - по сути дела, анализ биологических текстов с построением соответствующих структур макромолекул, предсказанием их функции и создание новых лекарственных препаратов. Иное определение биоинформатики - это путь от генов к лекарствам через структуру макромолекул, то есть биоинформатика позволяет сделать в компьютере (insilico) все то, что мы раньше делали в эксперименте. Реальных ограничений здесь нет. Задача биоинформатики очень проста. Во-первых, из последовательности гена необходимо транслировать последовательность белка. Далее следует сравнение с библиотекой последовательностей и определяется, существует ли аналогичная последовательность. Если да, то мы можем предсказать с различной степенью точности и структуру, и функцию этого белка, а так как библиотеки постоянно растут (сейчас в одной из них уже находится больше полумиллиона последовательностей), то возрастают шансы на успех. Базы данных этих библиотек используются для сравнительного моделирования трехмерной структуры белков. Для предсказания некоторых участков белка расчетное построение уже сейчас достигает разрешения электронного микроскопа. "Разметку" генома успешно проводят во всем мире, в том числе в России. В биоинформатике мы продолжаем держаться на международном уровне. Если мы возьмем международные публикации, то обнаружим, что специализированные журналы переполнены российскими фамилиями. Наши программисты даже получили доступ в святая святых - в соответствующие отделы фирм. Еще один из разделов биоинформатики - предсказание функции белков. В 1999 г. в США профессор Айзенберг проанализировав 20 полных геномов микроорганизмов, нашел среди 6 тыс. белков дрожжей более 98 тыс. функционально связанных пар белков. Сколько понадобилось бы времени и средств обычной биохимии, чтобы сделать такую работу? К сожалению, программные продукты во многих разделах не доступны вообще, либо доступны на коммерческой основе. Хорошая компьютерная станция стоит до 20 тыс. $, а программные продукты постоянно дорожают, поэтому здесь в связи с недостаточностью финансирования мы рискуем оказаться в стороне. Как конструируются новые лекарства? На основе анализа генома микроорганизма компьютерным путем выявляются наиболее перспективные гены-мишени. Проведя такой анализ и прочитав геномы М.tuberculosis и близких к нему микроорганизмов, в НИИ биомедицинской химии РАМН предсказаны 13 новых мишеней для лекарственных соединений. Приведу дгие примеры приложения биоинформатики в нашем институте. На основе анализа базы данных для белков вируса гепатита С, Е1 и Е2 (около 1 тыс. последовательностей) были найдены консервативные пептиды, которые могут быть экспрессированы в растениях или синтезированы de novo, чтобы получить вакцину против вируса гепатита С. Найдены структуры, препятствующие репликации вируса гепатита С. Из 800 тыс. химических соединений было отобрано 20 потенциальных кандидатов, 4 из них обнаружили в культуре клеток достаточно хорошую биологическую активность. Ситуация в биоинформатике та же, что и в протеомике, - доминируют коммерческие фирмы. Государства, даже очень богатые, в этих новых областях оказались не способными эффективно с ними конкурировать. Это означает, что в высокоразвитых странах результаты фундаментальных исследований уже применяются на медицинском, фармацевтическом и биотехнологическом рынках. Таким образом, решился давний спор о разделении науки на фундаментальную и прикладную. Результаты фундаментальных исследований превратились в товар, более востребованный на рынке, чем результаты прикладных наук.