Протеомика расширяет возможности медицины и фармацевтики
Протеомика изучает белковый состав биологических объектов, а также модификации и структурно-функциональные свойства белковых молекул, совокупность которых составляет определенную систему. Какие перспективы открывают технологии высокопроизводительного анализа белков для медицины и фармацевтики?
Термин, придуманный студентом
После расшифровки генома человека и других организмов открылись новые возможности для идентификации белков каждого живого существа. Термин «протеом» придумал в 1994 г. австралийский студент Марк Уилкинс, пытаясь в своей дипломной работе найти короткое название полному набору человеческих белков вместо громоздкого набора слов «все белки, экспрессируемые геномом». Сразу после этого в научных публикациях появился термин «proteomics» (протеомика), обозначивший новое направление в молекулярной биологии, изучающее белки, их функции и взаимодействия в живых организмах.
Впрочем, идея по созданию «молекулярного белкового атласа человека» возникла еще в 1985 г., но только развитие технологий быстрого секвенирования, масс-спектрометрии белков, электрофореза и хроматографии для разделения органических молекул сделали возможным появление нового научного направления.
Современные высокотехнологичные методы позволяют не только идентифицировать белок, его первичную структуру и посттрансляционные модификации, но и установить количество определенных белков в образце и их активность. Протеомика осуществляет сравнительный анализ больших групп белков, вовлеченных в определенные биологические процессы, и воссоздает полные протеомы живых систем, что характеризует исследуемые объекты в целом.
Основная задача протеомики — качественный анализ белков и количественный анализ их экспрессии в клетках в зависимости от их типа, состояния или влияния условий окружающей среды. Необходимо установить, какие белки присутствуют в каждой ткани организма, где они располагаются в клетке и с какими молекулами взаимодействуют.
Протеом человека
В 2001 г. была основана международная организация «Human Proteome Organisation» (HUPO), которая объединяет усилия ученых по изучению белков человеческого организма. Основные направления исследований этой организации: протеом человека, протеомика мозга, изучение антител, болезни, возникающие вследствие нарушения метаболизма сахаров, протеомика сердечно-сосудистых заболеваний, протеомика стволовых клеток, определение биомаркеров заболеваний, изучение заболеваний человека на мышиных моделях и т.д.
Международная команда исследователей под руководством шведских ученых составила подробную онлайн-карту клеток человека (Cell Atlas). С помощью иммунофлуоресцентного анализа команда изучила 22 клеточные линии человека
Методологически в протеомике выделяют несколько направлений, главными из которых являются функциональная, структурная и медицинская (клиническая) протеомика. Протеомная систематика предполагает инвентаризацию всех белков, закодированных в геноме организма, а также создание молекулярных белковых атласов отдельных клеток, органов и тканей. Структурная протеомика активно развивается благодаря усовершенствованию аналитических методов, таких как новые варианты ЯМР-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и масс-спектрометрии.
Сравнение протеомов разных организмов позволяет выявить общие и специфические белки, которые обусловливают различия их фенотипов и метаболизма. Такой анализ не только помогает понять ход эволюционного процесса, но и позволяет определить ранее неизвестные функции белков. А с помощью метода сравнения протеомов здорового человека и больного можно обнаружить конкретные белки, потенциально участвующие в развитии болезни, которые в дальнейшем могут стать мишенями для новых ЛП. Кроме того, если такие белки уже известны, то анализ протеома можно использовать как метод ранней диагностики.
Биомаркеры
Функциональная протеомика направлена на получение информации о межбелковых взаимодействиях и их влиянии на экспрессию и модуляцию активности генов, а также посттрансляционную модификацию белков в составе белковых комплексов. Это важно для поиска новых маркеров патологических процессов в организме человека.
Термин «протеом» придумал в 1994 г. австралийский студент Марк Уилкинс, пытаясь в своей дипломной работе найти короткое название полному набору человеческих белков вместо громоздкого набора слов «все белки, экспрессируемые геномом»
Дело в том, что посттрансляционная модификация белков происходит в клетке уже после их синтеза в ответ на какое-либо внешнее воздействие или болезнь. В результате свойства белков могут быстро измениться, что повлияет на скорость их синтеза и деградации. Результат таких процессов отразится на общем профиле белков. Изучая его, можно обнаружить белки, «производство» которых при болезни отличается от «здоровой нормы». Такие белки могут быть использованы с диагностической целью в качестве биомаркеров того или иного заболевания.
Биомаркер — это молекула, наличие или отсутствие которой позволяет сделать вывод о протекании определенного клеточного процесса, или установить тип клетки. Нередко в роли биомаркеров выступают белки, например, белок Oct-4 позволяет идентифицировать эмбриональные стволовые клетки. Над поиском протеомных маркеров заболеваний интенсивно работают исследователи всего мира, причем не только ученые из академических институтов, но и специалисты из исследовательских подразделений фармацевтических компаний.
Читайте также: Флуоресцентные методы исследования в науке и практической медицине
Атлас белков человека
Международная команда исследователей под руководством шведских ученых составила подробную онлайн-карту клеток человека (Cell Atlas). В ходе этого проекта к большинству человеческих белков получили антипептидные поликлональные антитела, которыми затем покрасили ткани и клетки.
С помощью иммунофлуоресцентного анализа команда изучила 22 клеточные линии человека. Была сформирована большая база данных, содержащая диаграммы и изображения, иллюстрирующие синтез большинства белков генома в различных органах и тканях.
C помощью метода сравнения протеомов здорового человека и больного можно обнаружить конкретные белки, потенциально участвующие в развитии болезни, которые в дальнейшем могут стать мишенями для новых лекарственных средств
Благодаря работе, которая продолжалась более 10 лет, исследователи локализовали 12 003 белков, определив каждый из них в одну или несколько из 30 внутриклеточных структур и подструктур. При этом позиции почти 1500 белков были зафиксированы впервые.
Обнаружено, что многие виды белков локализуются не только в клеточных органеллах, но и в специальных «аггресомах» (aggresome), в которых белки собираются перед деградацией. Исследователи уверены, что этот атлас станет полезным инструментом для новых открытий в биологии и медицине.
Биомедицинские технологии
Белковые профили крови пациентов с разными заболеваниями, бактериальные и эукариотические клетки уже анализируют с помощью современных методов протеомики и сравнивают полученные масс-спектры для клинической диагностики и идентификации различных состояний. Особенно успешным оказался метод анализа целых бактериальных клеток, который сейчас применяют в клиниках.
Простой масс-спектрометр с прилагаемыми к нему специальными алгоритмами способен идентифицировать патогенные микроорганизмы до видов и родов. Их наносят на металлическую мишень масс-спектрометра, покрывают матрицей и облучают лазером для получения специфичных профилей, распознаваемых алгоритмом по характерным массам.
Читайте также: Метаболомика: что нам дает анализ метаболитов?
Измерение происходит в режиме реального времени, при этом образцы остаются интактными и могут быть использованы для дальнейшей работы. Данную технологию уже сейчас широко применяют фармацевтические компании для скрининга при разработке вакцин, моноклональных антител и при изучении специфического взаимодействия молекул ЛП с рецепторами в организме.
Диагностика онкологических заболеваний
Уже достигнуты определенные успехи протеомики в ранней диагностике тяжелых заболеваний. Диагностика рака предстательной железы по наличию в моче пациента белка простатспецифического антигена на сегодня является одной из самых ранних и точных.
Определены диагностические белки для выявления рака молочной железы. Но из-за широкой клинической вариабельности этого заболевания в качестве маркеров предложено использовать набор из 40 белков. Такой белковый профиль позволяет не только с высокой точностью диагностировать заболевание, но и прогнозировать эффективность лечения. Среди основных маркеров этого набора — гаптоглобин, трансферрин и аполипопротеины.
Анализ белковых компонентов крови с помощью иммунных методов входит в мультиплексный тест OVA1 для прогноза злокачественности опухоли яичника.
В США проводят тест Xpresys Lung, в котором используют таргетную масс-спектрометрию нескольких белков плазмы крови. По результатам этого теста малоинвазивным путем оценивают степень злокачественности обнаруженных с помощью методов визуализации узелков в легких.
При молекулярной характеристике опухолей для улучшенной классификации образцов их стремятся обследовать всесторонне в режиме протеогеномики. Такой подход обеспечивает более эффективное лечение заболевания. Диагностика опухолей направлена на обнаружение биомаркеров для проведения прогностических тестов, что поможет правильно выбрать стратегию лечения в ситуациях, когда опухоль уже обнаружена и нужно определить степень ее злокачественности.
Маркеры нейродегенеративных заболеваний
Проводятся исследования по выявлению маркеров нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, склерозов различной этиологии и т.д. В этой области основными прогностическими маркерами являются ангиогенин (фермент, обеспечивающий рост кровеносных сосудов), креатининкиназа, фибриноген, аполипопротеин Е. Согласно одной из теорий в основе возникновения шизофрении лежит нарушение белкового обмена, поэтому ученые проводят исследования по поиску белков-маркеров этой тяжелейшей психической болезни.
Сравнение протеомных профилей статистически достоверной выборки людей с шизофренией и протеомных профилей здоровых добровольцев уже позволило исследователям выявить определенный набор белков в качестве маркеров: аполипопротеин A II, фосфомевалонаткиназу и сериновую (треониновую) киназу. Дальнейшие усилия ученых будут направлены на уточнение роли этих белков в патогенезе болезней и внедрение данных маркеров в клиническую биохимию.
Успехи, достигнутые в течение последних десятилетий в сфере протеомики, внушают обоснованный оптимизм, даже с учетом того, что в организме человека число различных белковых молекул и их вариантов может составлять миллионы. Технологии идентификации белков впечатляюще продвинулись и в дальнейшем стоимость анализа будет снижаться. В перспективе у этой новой биомедицинской области существует огромный потенциал по обнаружению уникальных мишеней для лекарств и биомаркеров различных болезней.
Татьяна Кривомаз,
д-р техн. наук, канд. биол. наук, профессор
“Фармацевт Практик” #7-8′ 2018
