Как протеомика прокладывает путь от фундаментальных исследований к практическим решениям в медицине

Успехи геномики — науки, изучающей геномы живых организмов,— позволили медицине перейти на качественно новый уровень: теперь можно выявлять и лечить многие безнадежные болезни. Следом за геномикой идет новая область биомедицинской науки — протеомика, отрасль молекулярной биологии, занимающаяся идентификацией и количественным анализом белков.

Первые методы протеомики появились задолго до геномных технологий, действительно высокопроизводительное изучение белков стало возможным только в постгеномную эпоху — при наличии известных нуклеотидных последовательностей геномов разных организмов.

Что такое протеомика и какие возможности она нам сулит — в интервью Сергея Мошковского, заведующего кафедрой биохимии медико-биологического факультета Медицинского университета имени Н.И. Пирогова, заведующего лабораторией в Центре физико-химической медицины, доктора биологических наук, профессора РАН.

— Сергей, вы активно участвовали в работе российской части международного проекта «Протеом человека». В чем главный смысл этого проекта? Каковы цели и задачи российской стороны и ваши лично?

— Я работал в этом большом проекте только в самом начале, ближе к 2009 году, когда он стартовал.

К тому моменту огромным научным и организационным успехом в биологии стал проект «Геном человека». Его черновой вариант был обнародован в 2002 году, и с тех пор доступные общественности результаты генома принесли огромную пользу биологии и медицине.

Однако молекулярные биологи специализируются на разных видах молекул, которые находятся в живых организмах. Геномом занимались специалисты по нуклеиновым кислотам, а что было делать тем, кто посвятил всю жизнь белкам? Напомню, что белки — это молекулярные машины клетки, которые по геномным «чертежам» реализуют большинство ее функций: от структурной до ферментативной. Белки образуют волокна цитоскелета, катализируют множество реакций, обеспечивают вне- и внутриклеточную сигнализацию. Без них вообще нет жизни.

— По логике «белковым» ученым нужно было объединиться и расшифровывать протеом — совокупность всех белков клеток и тканей человека.

— Действительно, 12 лет назад на конгрессе одноименной международной организации в Австралии создали консорциум и запустили проект «Протеом человека». В нашем геноме 23 пары хромосом, и все кодируют белки. Коллективы специалистов по протеомике из разных стран поделили белки по принципу организации генома. Например, российское протеомное сообщество стало исследовать белки, кодируемые генами хромосомы номер 18. Так договорились.

Протеом — это сложно

К сожалению, оказалось, что заниматься протеомом гораздо сложнее в техническом плане, чем геномом. Геном в разных клетках человека если не одинаковый, то очень похожий.

Состав белков, наоборот, во многом определяет морфологию клетки. В организме более 200 разных клеточных типов. Это значит, что для завершения проекта нужно охарактеризовать количественный и качественный состав белков во всех этих типах.

Непосильная задача с учетом того, что, в отличие от нуклеиновых кислот, белки нельзя амплифицировать способом полимеразной цепной реакции, как это обычно делается, а значит, аналитическая техника в протеомике — в основном масс-спектрометрия — имеет относительно низкую чувствительность.

К тому же, в отличие от нуклеиновых кислот, белки состоят из 20 различных аминокислот даже без учета их естественных модификаций. То есть они более разнообразны химически и требуют большего арсенала аналитических подходов для анализа. Так что протеомщики поставили перед собой очень непростую задачу.

— Однако, насколько я знаю, от затеи не отказались.

— Да, ведь невыполнимые цели всегда можно ограничить, сделав более реалистичными. Люди работают на имеющемся уровне техники, причем не без успеха. Например, разработаны методы количественного анализа почти всех белков человека (их 20 с лишним тысяч), если считать белки по принципу «ген один — один белок», что, строго говоря, не совсем так.

Закодированная в гене последовательность может варьироваться в процессе созревания и переработки в клетке, образуя сотни или тысячи отдельных форм (протеоформ).

Для понимания: одна и та же модель автомобиля может выходить с небольшими различиями в кузове и подвеске. Такому «тюнингу» подвергаются почти все белки в процессе их синтеза и доведения до функционального состояния.

Движение в инвентаризации белковых продуктов, включая протеоформы, в различных клетках и тканях человека идет в том числе в нашей стране. Пока результаты имеют фундаментальную и методическую природу, то есть прямую пользу обществу принести не успели. Однако поступательное движение в науке всегда приводит к чему-то полезному.

Биомаркер из белка

Например, какой-то из белков, кодируемых в геноме, может по результатам новых данных оказаться полезным биомаркером заболевания. А по итогам проекта уже разработан метод его измерения, который можно без промедления внедрить в практику.

Добавлю, что российскую часть протеомного проекта инициировал, развивал и продолжает возглавлять один из моих учителей — академик Александр Арчаков. Он научный руководитель Института биомедицинской химии в Москве.

— Вы руководили работой по обнаружению белковых биомаркеров некоторых заболеваний, в частности Т-клеточной лимфомы кожи и заболеваний глаз. Расскажите, как их распознать на ранних стадиях?

— Эта работа, по сути, уже завершилась. В результате предложено несколько перспективных белковых биомаркеров, которые теперь можно тестировать в более широких выборках пациентов. Для псевдоэксфолиативного синдрома глаза это уровень аполипопротеина Д в водянистой влаге (жидкость, которой заполнены передняя и задняя камеры глазного яблока.— «Ъ-Наука»). Он маркирует этот опасный синдром, сопровождающий развитие глаукомы. Для Т-клеточной лимфомы кожи (грибовидного микоза) таким биомаркером был хемокин CXCL10.

Когда мы говорим о такого рода исследованиях, важно разделять фундаментальную науку и разработку продукции, например тест-систем для диагностики. Я работаю в фундаментальной науке, задача тут — тестирование новых методов, чтобы извлечь что-то полезное в будущем.

В науку о белках в последние 10–20 лет буквально ворвался такой физический метод анализа, как масс-спектрометрия. Естественно, стоит задача как можно шире его тестировать — для анализа молекулярных биомаркеров в том числе, для тех молекул, которые отличают больных от здоровых или разные типы заболевания между собой.

Мы протестировали некоторые из методов масс-спектрометрии на разных заболеваниях и разных биологических жидкостях, используя плазму крови и водянистую влагу глаза. Предварительные результаты перспективны, и сейчас стоит вопрос, как и за чей счет провести дальнейшие, более широкие испытания.

Другой пример. Больше десяти лет назад мы нашли, что при раке яичника даже на ранних стадиях часто повышается уровень одного из белков плазмы крови — сывороточного амилоида А. Его не надо путать с бета-амилоидом — одним из триггеров болезни Альцгеймера.

Тесты и комбинации

Тогда казалось, что это следствие сопутствующего опухолевому процессу воспаления и не имеет особой перспективы. Однако совсем недавно выяснилось, что этот белок в некоторых случаях облегчает опухолевым клеткам метастазирование в печень. Это может заставить взглянуть на наши прежние результаты с новым интересом.

На этом биомаркерная тема в моей жизни не закончилась. Сейчас на одном из мест работы — в Центре физико-химической медицины — мы пытаемся использовать направленный масс-спектрометрический анализ белков для определения нескольких сразу биомаркеров рака толстой и прямой кишки. Что из этого выйдет, пока говорить рано. Основной инструмент создания панелей биомаркеров сразу из пары десятков белков — направленный масс-спектрометрический анализ.

Есть предположение, что этот анализ способен заменить по аналитическим параметрам привычные методы, в которых используются антитела. В диагностике опухолей будущее, скорее всего, принадлежит комбинации различных техник, например анализа нуклеиновых кислот и белков. Вот такие тесты мы и хотим воплотить — пока на небольшом количестве пациентов.

— Сейчас активно развивается новое научное направление — протеогеномика злокачественных опухолей. В чем его смысл и каковы основные задачи?

— С некоторых пор стало ясно: о злокачественных опухолях можно получить гораздо больше информации, если исследовать их на разных уровнях молекулярной организации.

Общеизвестно, что рак вызывают геномные мутации. Многие из них лежат в кодирующих белок областях и при этом несинонимичны, то есть вызывают замены аминокислот в белках. Для молекулярной классификации опухолей, для задач онкоиммунологии привлекательно уметь анализировать последствия этих злосчастных мутаций на белковом уровне.

Тематика начинает развиваться и сталкивается с методическими трудностями, присущими протеомике в целом,— это в первую очередь нехватка чувствительности по сравнению с геномными технологиями. Мы вместе с коллегами учимся и создаем экспериментальные и вычислительные подходы для объединения данных анализа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК — и белков из одних и тех же биологических образцов. Из них выделяют нуклеиновые кислоты, анализируют путем их секвенирования, находят мутации и оценивают генную экспрессию. Затем при помощи масс-спектрометрии высокого разрешения получают протеом и анализируют, как параметры нуклеиновых кислот сказались на конечном продукте — синтезированных белках. Пока мы работаем на хорошо изученных объектах — растущих в культуре раковых клетках человека, но в проектах есть перспективы переноса наших методов на модельных животных и материала от пациентов.

— Есть ли сейчас возможность практического использования этих методов? Каковы здесь перспективы?

— Отдельные белки с 1970-х измеряли с помощью антител. Это такие связующие молекулы, которые соединяются с одним кусочком целого белка. Как будто дверь открывают в замочную скважину и видят только это запирающее устройство. Но мы не знаем, как устроена дверь целиком. Значительное преимущество масс-спектрометрии белков в том, что она видит гораздо больше от белка, чем антитело: если повезет, то всю дверь, а не ее запирающую часть.

Медленный путь к успеху

Этот аналитический метод в большей степени подходит для анализа целых последовательностей. И вот этим преимуществом сейчас стараются воспользоваться. Антитела — тоже белки, и синтезируются они путем сложной биотехнологии. Здесь возможны разные сюрпризы: отличия между партиями реагента, утрата активности.

Масс-спектрометрия — физико-химический метод, он не зависит от биологических реагентов. Получается, иммунный (антительный) анализ сложнее с точки зрения реагентов, но проще с точки зрения инструментов. В масс-спектрометрии проще реагенты, зато намного сложнее приборы.

Вот мы с другими исследователями ищем место последнему методу в практическом анализе белков для диагностики тех случаев, где можно и нужно заменить иммунный анализ — например, когда на белковом уровне нужно определить не белок в целом, а его конкретный участок, например мутантный белок при некоторых злокачественных опухолях. В биотехнологии для контроля качества белковых препаратов, кстати, масс-спектрометрия давно используется.

— Возможно ли, на ваш взгляд, с помощью этих методов научиться прогнозировать неинфекционные заболевания и предотвращать их, полностью избавив от них человечество? В частности, полностью победить рак?

— Для того чтобы решить серьезные проблемы здоровья всего человечества, невозможно сфокусироваться на конкретных методах. Нужен мультидисциплинарный подход. Для проверки гипотез серьезные исследователи выбирают не те методы, которыми, предположим, владеют, а те, которые дадут наилучший результат. Например, для скрининга многих типов рака (выявления заболевания в группах людей, о которых неизвестно, больны они или нет) молекулярные анализы часто вообще не годятся. Гораздо лучше работают методы визуализации.

Что касается прогресса молекулярного тестирования, то в диагностике злокачественных опухолей ситуация медленно движется к успеху. Перспективна так называемая жидкая биопсия — выявление характерных для опухоли особенностей ДНК в периферической крови пациента. Оказывается, даже небольшие опухоли посылают весточки в периферическую кровь.

Недавно такую жидкостную биопсию сочетали с протеомным анализом и получили перспективные результаты для ранней диагностики некоторых типов рака.

Быстро, дешево и не больно

Но тут возникает другой вопрос: а сколько будет стоить такой тест? На пути у широкого распространения какого-то вида анализов, уже научно проработанного, часто стоят экономические причины. Их тоже приходится учитывать, разрабатывая такие методы, которые будут не только быстрыми, точными и неинвазивными, но и доступными.

У анализов, которые оценивают последствия генной экспрессии — от РНК до белков и даже метаболитов, на мой взгляд, есть перспективы не столько в первичной диагностике злокачественных опухолей, сколько в прогностических и предиктивных тестах. Несмотря на похожее название, первые осуществляют прогноз течения заболевания, например возможные осложнения, а вторые предсказывают ответ на разные виды терапии. В онкологии такие тесты могут использовать не биологические жидкости, которые несложно получить, но сложно изучать, а сами опухоли, изъятые из организма после хирургического вмешательства. Пока протеомика только вступает в эту область, но тут ей есть где развернуться.

Удастся ли победить рак — сакраментальный вопрос. Злокачественные опухоли будут возникать всегда. В природе это естественный исход жизни многих животных. Человек не исключение.

Но в последнее время достигнут колоссальный прогресс в лечении многих форм этой патологии. Чего стоит разработка таргетных препаратов для иммунотерапии нескольких видов рака! В сочетании с усовершенствованием скрининга, в том числе при помощи протеомики, которой я уделяю столько времени в своей жизни, думаю, большинство опухолей в ближайшие десятилетия станут полностью излечимы.

Беседовала Наталия Лескова