Белковые континенты

Семенные канальцы под микроскопом. Источник: Clifford Barnes / University of Ulster

Атлас белков человека прославился благодаря яичкам

Андрей Украинский

14 ноября, 2014 18:48

9 мин

В ноябре 2014 года международная группа ученых представила новую, тринадцатую, версию «Атласа белков человека» (The Human Protein Atlas). Широкое освещение этого события в мировых новостях на этот раз было связано не с фундаментальным значением работы для науки, а с одни из многих обнаруженных в ее ходе фактов. Выяснилось, что самый разнообразный по белковому составу орган человека — это мужское яичко. Оно содержит около тысячи уникальных белков — примерно в три раза больше, чем головной мозг.

Факт, разумеется, интересный, но еще интереснее огромная работа, благодаря которой он был установлен. Проект «Атласа белков человека» (АБЧ) стартовал в 2003 году благодаря совместным усилиям ученых из Королевского технологического института (Royal Institute of Technology) в Стокгольме и Академического университетского госпиталя Уппсалы (Uppsala Akademiska University Hospital). Позже к ним примкнули научные группы из Индии, Южной Кореи, Японии, Китая, Германии, США, Канады, Дании и ряда других стран. Последняя версия Атласа — результат работы 13 лабораторий.

Почему именно белки?

Целью этой научной программы является всестороннее изучение протеома человека. Термин «протеом» образован от английского «protein» («белок») по аналогии со словом «геном» (полный набор генов человека). Так называют совокупность всех белков, вырабатываемых организмом, определенными тканями и клетками в норме и при болезнях.

Белки — неотъемлемая часть всех живых организмов. Они являются одними из наиболее сложных в структурном и функциональном отношении соединений, известных людям, и участвуют во всех процессах жизнедеятельности. Несмотря на то, что ДНК во всех клетках одинакова, в разных клетках синтезируются совершенно разные белки, что обеспечивает различия в структуре и функциях тканей организма.

Сравнительно новая наука протеомика, которой посвящен проект АБЧ, имеет существенные практические отличия от геномики, изучающей гены. Дело в том, что наличие гена, отвечающего за синтез определенного белка, еще не говорит о том, что этот белок будет синтезирован, не дает информации, в какой ткани и когда он будет больше вырабатывается. Методы протеомики дают возможность увидеть, какие конкретно белки вырабатывает здоровый и больной организм, что дает ключевую информацию о развитии многих заболеваний.

Методы ученых основаны на использовании антител. Антителами называют крупные белки, которые борются с инородными молекулами (антигенами), попадающими в организм человека. Антитела имеют узко специфичный механизм действия — против каждого антигена вырабатывается свое антитело. Ученые научились синтезировать синтетические антитела для распознавания различных видов и модификаций белков. В ходе исследований на срезы тканей наносят антитела, которые помечены красителями или ферментами. Банк антител АБЧ в настоящее время широко используется в различных научных работах.

АБЧ ежегодно пополняется новой информацией. Так, в 2005 году были опубликованы данные о белках организма на основании экспериментов примерно с 700 антителами. При подготовке нынешней версии были использованы антитела к 17 тысячам из 20 тысяч известных белков, авторы проекта опубликовал 13 миллионов «карт» белков в разных тканях. Представлены белки 44 нормальных тканей, 20 типов рака, 46 различных клеточных линий человека, а также субклеточных структур (органелл). С 2013 года атлас разделен на четыре соответствующих раздела. База данных генно-ориентирована, то есть включает все человеческие гены и указывает, какие белки с синтезируются на их матрице.

Зачем это нужно?

Работа в рамках проекта АБЧ ведется, в первую очередь, для определения новых диагностических маркеров болезней и создания лекарств. Протеом (как и геном) дает информацию о белках, синтез которых связан с развитием различных заболеваний. Эти данные можно обработать при помощи специальных программ, которые помогают подобрать новые молекулы для создания лекарств. Этот же механизм дает пути для поиска методов индивидуализации лечения.

Именно таким образом весной ученые шведского Технического университета Чалмерса (Chalmers tekniska högskola) установили, что лекарство от стенокардии пергексилин может предупреждать прогрессирование наиболее распространенной формы рака печени. Авторы научной работы проанализировали протеом пациентов, компьютерная программа предложила для части пациентов индивидуальное средство. «Это первый случай, когда для поиска и оценки новых потенциальных лекарств были использованы персонализированные модели», — заявили авторы исследования. Для своих экспериментов по индивидуализации лечения рака ученые использовали антитела к белкам, взятые у проекта АБЧ.

Слева направо сверху вниз: меченые антителами клетки рака печени, рака простаты, колоректального рака и рака груди. Источник: The Human Protein Atlas

Сегодня онкология — одна из самых перспективных областей для использований знаний, накопленных протеомикой. Особое место занимает определение биомаркеров для диагностики и прогнозирования течения заболевания. Биомаркеры — молекулы, находящиеся в тканях, наличие или отсутствие которых может свидетельствовать о норме или патологии, говорить о прогнозе заболевания. Несмотря на стремительный прогресс в геномике в последние годы, она говорит нам только о том, что может произойти, согласно генетическому коду. Исследования из области протеомики дают возможность получения более насущных ответов. Например, в 2011 году исследование с участием Матиаса Улена (Mathias Uhlén), руководителя проекта АБЧ, показало, что РНК-связывающий белок RBM3 является благоприятным биологическим маркером при раке предстательной железы. Его наличие говорит о низкой вероятности рецидива и прогрессирования болезни.

Применяются достижения протеомики и в других областях медицины, например, инфекционных болезнях. С использованием атласа из крови детей, больных малярией, были выделены биомаркеры, предсказывающие развитие осложнений болезни. Коллектив проекта заявлял о том, что АБЧ — доступный всем инструмент для интерпретации подобных биологических маркеров.

Что уже обнаружено

Таким образом, за сообщением о белковом разнообразии мужских яичек стоит не только огромная большая работа, но и огромные научные перспективы. Ученым осталось картировать еще 3 тысячи белков, но проект уже дал много интересных результатов. Оказалось, что почти половина наших белков — 8847 — «работает» во всех тканях организма, выполняя всю рутинную работу, включая выработку энергии и синтез белка. Их называют «белками-домохозяйками» (housekeeping proteins). Еще 2355 белков вырабатывается только в специфических органах и определяет огромную физиологическую разницу между ними. Действительно интересным фактом стало то, что среди всех исследованных органов именно в яичках оказалось наибольшее количество уникальных белков — 999. Для сравнения, в головном мозге их «всего» 318.

«Процессы, происходящие в яичках, уникальны, поскольку сперматозоиды должны выживать с половинным хромосомным набором и вне человеческого организма», —пояснил Улен. Он добавил, что подобные результаты можно ожидать и от исследования яйцеклеток, развивающихся в организме плода.

«После того, как 10 лет назад был картирован человеческий геном, следующим логичным шагом было картировать белки и выяснить, как они распределены в организме. 48 нормальных и 20 раковых тканей были взяты из разных органов 360 шведских доноров и окрашены антителами», — цитирует DNA India Санджая Навани (Sanjay Navani), директора индийского подразделения АБЧ.

Также Навани сообщил, что АБЧ открыл ряд неизвестных ранее белков. Он подчеркнул, что указание точной локализации белков в конкретных органах и тканях будет стимулировать новаторские исследования, особенно в онкологии, где мишенью для лекарств являются белки. Группа под его руководством открыла, что присутствие белков SAT-B2 в метастазах говорит о том, что первичный очаг опухоли находится в толстом кишечнике. По мнению Навани, эта информация будет способствует разработке новых методов диагностики и лечения.

«Знать все наши гены — это прекрасно, но в конечном итоге все болезни и биология человека базируются на белках — строительном материале человеческого организма. Плоды нашей работы — что-то вроде "Анатомии Грея" (классический англоязычный учебник анатомии — РП) для белков», — заявил Улен изданию New Scientist.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе