Протеом клетки – значение для медицины, ранней диагностики раковой клетки и излечения рака

Видео: We can start winning the war against cancer | Adam de la Zerda

Скоро нынешняя медицина уйдет в прошлое. Давняя мечта П. Эрлиха – иметь лекарство без нанесения вреда пациенту – «волшебную пулю», станет реальностью.

Оно будет уничтожать: при инфекциях – возбудителей, при раке – раковую стволовую клетку, не повреждая здоровых клеток, действуя на белок, вызывающий болезнь. Для каждого пациента будут создаваться индивидуальные лекарства. Это началось после открытия структуры генома человека.

Что мешало этому раньше?

Причина – нынешний принцип создания лекарств. Их открывают слепым подбором веществ-«кандидатов» на лекарства (А.М. Егоров, 2002). Механизм их действия тот же: действие на те же мишени в возбудителях, в раковой клетке

– на еe ДНК, повреждая еe в той же степени и в окружающих здоровых клетках.

Но раковые клетки – клетки-организмы, очень живучи и коварны. Многие из них остаются не пораженными намертво включением гена MDR1 P- гликопротеина: лекарства активно выводятся в межклеточную среду и клетки продолжают размножаться. Даже адресная доставка лекарств в раковые клетки, рассеянные по организму, но без подавления этого гена или белка, бессильна против них.

Выход из этого один: отказ от слепого способа создания лекарств, поиск в раковой клетке белков-маркеров и синтез против этих мишеней лекарств.

Что такое белок?

Белок-маркер раковой клетки находится на ее поверхности, на нормальной клетке того же типа его нет. Все болезни начинаются с уровня гена и его продукта – белков. Простые белки или протеины состоят лишь из остатков аминокислот.

Белки или протеины известны с начала XIX в. Химики выбрали термин «протеины» для этих веществ, от греч. ?proteios? – «первый», так как в начале XX в. стало ясно, что белки – главные участники всех жизненных процессов в клетке. После открытия структуры генома оказалось, что знания о нем можно применить на практике лишь: 1) через белки и 2) именно белки создают все свойства клетки. Любой белок – это продукт гена. В схеме это выражается так: ген — иРНК — белки

При любой болезни в клетке, в частности, раковой, какой-то ген или гены изменены. Поэтому в ее белках произойдут соответствующие изменения: 1) нет белка или его мало- 2) изменена первичная структура белка- 3) избыток нормального белка в клетке- 4) нет деградации дефектного белка в клетке.

Что такое протеом?

Термин «протеом» образован от слова «протеин» и окончания слова «геном»Протеом – это набор белков в данной клетке в определенный момент времени. Его изучает наука – протеомика.

Набор генов в каждом типе клетки один и тот же, а набор белков в клетке каждого типа свой. Причина в том, что в одном типе клетки активны одни гены, в другом – другие.

Сколько белков в нормальной клетке каждого типа – никто пока не знает. По некоторым данным в одной клетке может быть до 1 миллиона белков.

Ученые торопились открыть строение генома клетки для того, чтобы понять, какие белки участвуют в выполнении функций в нормальной клетке каждого типа и в дефектных клетках при различных болезнях.

Как образуются белки?

Для синтеза белка с его гена снимается копия – иРНК. Этот процесс называется транскрипцией. До последнего времени считалось, что с каждого гена снимается копия одного белка. Теперь оказалось, что с различных участков гена снимается несколько копий – до 20, значит, синтезирован будет не один белок, а несколько.

Синтез белка происходит на рибосоме, иРНК, т.е. копия гена, является матрицей для синтеза белка. Этот процесс называется трансляцией. В нeм участвуют и другие РНК.

Функции каждого белка зависят от: 1) порядка или последовательности аминокислот в белке и 2) его пространственной структуры, т.е. трeхмерной формы.

Порядок, в котором выстраиваются аминокислоты и какие аминокислоты, диктуются копией гена, т.е. иРНК. Это фрагмент из нуклеотидов, каждый из которых содержит одно из азотистых оснований, которых четыре: аденин, тимин, гуанин, цитозин.

Из трех нуклеотидов в ряд образуется кодон и порядок оснований в нем диктует, какая из аминокислот будет синтезироваться. Например, участку копии гена Т-Т-Т соответствует аминокислота лизин, а участок цепи гена А-Ц-А – цистеину и т.д.

На рибосоме по последовательности оснований синтезируются аминокислоты, а они в той же последовательности соединяются в цепь – первичную структуру белка. Как транскрипция, так и трансляция осуществляются специальными ферментами, ген в этих процессах дает только программу синтеза.

После синтеза этот продукт должен претерпеть ряд химических изменений и только после этого принимает пространственную структуру – трeхмерную форму. Только в такой форме молекула белка в состоянии выполнять свои функции в клетке.

Пространственная структура молекулы белка – это «все эти выпуклости, бороздки и изгибы, позволяющие белку реагировать с другими молекулами в клетке» (А.И. Арчаков, 2001). Очень часто дефект именно в этой структуре мешает белку выполнять свои функции в клетке. Информация о пространственной структуре каждого белка – своя, она постоянная и неизменная. Это опознавательный знак или пароль для иммунной системы. Любой незнакомый организму белок подлежит уничтожению.

На поверхности раковой клетки из-за эпигенетических изменений в ней имеются фетальные белки, которых нет на нормальной клетке этого же типа. Они «свои» для клеток иммунной системы, но являются белками-маркерами для диагностики раковой клетки.

На раковой клетке могут быть белки от мутации некоторых генов- супрессоров. Такие белки на клетке могут быть белками-антигенами, так как их синтез не закодирован в геноме организма-хозяина. Это метки или маркеры.

По метке иммунная система распознает раковую клетку, связывается с этим белком, уничтожает этот белок, а вместе с ним и его носителя – раковую клетку.

Считают, что отдельные раковые клетки иммунная система пациента способна уничтожать. Но против потомства раковых клеток, т.е. рака, обычно неэффективна. Это объясняют рядом причин.

В последнее время выяснено, что мутации генов в клетках иммунной системы способствуют «избеганию раковых клеток от клеток иммунной защиты». Такие клетки иммунной системы не способны бороться с раковыми клетками. Ключ к пониманию этого процесса может изменить подход лечения рака.

Функции белков в клетке

Все функции клетки каждого типа выполняют белки. Учeные это выражают так.

N.J. Anderson (1998) считает, что: «белки определяют активную жизнь клетки, а гены представляют собой только план этой активности».

Акад. А.И. Арчаков (2003) пишет, что информация в генах – «это знания того, что может быть», а знания о состоянии белков в клетке, – «это конкретное знание того, что есть».

А. Волков (2002): «гены – всего лишь ? инструкция или ? схема, по которой изготавливается подлинный ?продукт – протеины, т.е. белки».

В генах все определяет последовательность нуклеотидов, в белке – последовательность аминокислот.

Функции белков в клетке каждого типа: белки – это строительный материал- белки-переносчики различных сигналов- белки-рецепторы для переносчиков этих сигналов- белки – это антитела в организме- важнейшими среди всех белков в клетке являются белки-ферменты, катализирующие каждую химическую реакцию в клетке и др.

Методы определения пространственной структуры молекулы белка

Белок устроен намного сложнее гена. Если ген составлен из четырeх видов нуклеотидов и его строение может быть записано в виде текста из четырех букв – А, Т, Г и Ц, то для записи строения белка нужен уже двадцатибуквенный алфавит.

Если генов в каждой клетке человека тридцать тысяч, хотя скорее всего будет больше, то различных белков – около миллиона. Ген лишь кодирует набор аминокислот – «молекулярных кирпичиков», из которых состоит молекула белка.

Линейная последовательность аминокислот в живой клетке сворачивается в молекулу белка со строго определенной для каждого белка пространственной структурой. Такой процесс самосборки называется фолдингом (от англ. to fold – сворачиваться). Этот фолдинг контролируется в клетке агрегатом из белков под названием «шаперон». По форме он напоминает «ведерко». Он проверяет пространственную структуру у каждой молекулы белка.

Из-за повреждения гена нарушается конфигурация его молекулы белка. В таком случае «шаперон» это распознаeт, втягивает белок в «ведeрко», разворачивает молекулу в исходную цепь аминокислот и выбрасывает «на свободу», т.е. дает ей попытку еще свернуться правильно.

Процесс фолдинга для медицины имеет огромный интерес. Правильная структура белка обеспечивает правильную функцию, а нарушение пространственной структуры приводит к неспособности такого белка выполнять свою функцию, и как следствие, к возникновению патологии.

В настоящее время для определения пространственной структуры белка исследователи используют технологии, которые основаны на определении положения каждого атома в данном конкретном белке. В первую очередь это метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), а также рентгеноструктурный анализ кристаллов белка.

В этом знании недавно сделан настоящий прорыв. В 2002 г. объявлены Нобелевскими лауреатами по химии специалисты в области массспектрометрии американец Дж.Б. Фенн и японец К. Танака, а также швейцарец К. Вютрих – специалист по проблемам ядерно-магнитного резонанса.

Учeные разработали методы, позволяющие быстро и надежно определять: какие белки содержаться в пробах, а также воспроизводить трeхмерное изображение молекул белков в растворе.

В заявлении при вручении премии было сказано, что награды «за успехи в понимании жизненных процессов», т.е. появляется возможность увидеть белковые молекулы и понять механизм их функционирования.

Ученые поясняют, – за разработку мощных аналитических методов для исследования больших молекул – белков, что может привести к появлению новых эффективных лекарств.

Считают, что именно эти ученые дали жизнь протеомике – познанию структуры и функций белков, их роли в поддержании жизни.

Дж.Б. Фенн и К. Танака ранее разработали метод для определения состава и размера больших биомолекул. До них масс-спектрометрия использовалась только для малых молекул.

Тогда же К. Вютрих создал метод, основанный на ядерном магнитном резонансе и позволяющим определять структуру белка.

В результате работ этих ученых стало возможным делать трехмерное изображение молекул белка, а из этого понимание, как работает в клетке тот или иной белок. В настоящее время с помощью ядерного магнитного резонанса по методу К. Вютриха получают 20% всех «снимков» молекул белка. За эти открытия этих троих ученых называют – «отцы-основатели протеомики».

Но, принимая во внимание громадное количество атомов даже в простейшей молекуле белка, очевидно, что такие методы очень трудоeмки, длительны и дорогие, т.е. «не для нас» (А.И. Арчаков, 2000).

Поэтому ученые заинтересовались, можно ли предсказывать трeхмерную структуру белка, основываясь лишь на известной последовательности его аминокислот или генетического кода, который определяет последовательность аминокислот. Предсказание, какая молекула белка получится из последовательности азотистых оснований конкретного гена – одна из важнейших задач, встающих после определения генома человека.

Оказалось, что с помощью компьютерного моделирования становится возможным правильно предсказывать пространственную структуру белка.

Зная свойства аминокислот притягиваться или отталкиваться друг от друга и применив компьютерное моделирование, теоретически можно спрогнозировать и их расположение в пространстве. Число работ с использованием молекулярного моделирования растет год от года, и на пути предсказывания конформации молекул белка приближаются большие сдвиги. До сих пор неизвестно, почему конкретные белки выглядят именно так, а не иначе.

Используя пространственную структуру белка с помощью передовых технологий, позволило полностью отказаться от «метода проб и ошибок» в поиске новых лекарств – лиганд. Для нас – это поиск лекарств от раковых клеток.

Раковая клетка или клетки возникают в любом организме, даже у здорового человека. Она имеет аномальное строение и нарушенные функции. Еe появление обусловлено каким-либо из канцерогенов: радиация, химические веще- ства, токсические продукты кислорода, а также ошибками в репликации генов и другими причинами.

Возникновение раковой клетки в организме – это ещe не болезнь, но еe начало. Если она не будет уничтожена апоптозом, то из неe возникнет потомство клеток, т.е. рак.

Все белки раковой клетки кодируются геномом организма-хозяина, поэтому они не являются белками-антигенами. Исключение могут составлять белки, возникающие из-за мутации в гене-супрессоре раковой клетки.

Отсутствие белков-антигенов на поверхности раковой клетки или их мало и «слабые», – главные причины отсутствия ответа клеток иммунной системы на раковые клетки.

Если бы на раковой клетке были бы белки-антигены, то проблем излечения пациента от рака вообще не существовало бы.

Никакая бактерия или вирус извне, никогда не создадут таких трудностей в диагностике их и излечении от них пациента, какие создает раковая клетка, так как она – «возбудитель» изнутри, т.е. из клетки своего организма.

Как уже было сказано выше, каждый белок, в том числе чужеродный, выполняет определенную функцию в клетке. Наша задача заблокировать его действие или в другом случае восполнить функцию поврежденного белка.

Как можно заблокировать фетальный белок в раковой клетке?

Любой белок взаимодействует с другими белками или менее сложными веществами посредством активных зон. Эти активные зоны – как специализированные разъемы, к которым возможно присоединение других веществ. Для того чтобы заблокировать белок, надо присоединить к его активной зоне некоторое вещество, т.е. молекулу, которая полностью погасит активность этой зоны, а также создаст прочную химическую связь с белком-мишенью, с тем, чтобы эта связь была неразрывна. Такое вещество, т.е. молекула, и называется лиганд.

Молекула-лиганд – это «слепок» с активных зон белка-мишени. Получив его – вот и «волшебная пуля» против раковой клетки. Однако это не совсем так: для каждого белка поиск лиганда требует множество опытов, что на практике занимает ряд лет.

Поэтому учeные и пришли к мысли – моделировать задачу химической реакции белка и лиганда на компьютере. Здесь компьютер в роли «электронной

пробирки», в которой по заданным параметрам, проводится процесс отбора нужных лигандов. На компьютере получают некоторые лиганды, которые он «примеряет» к белку-мишени, вычисляя параметры реакции каждого лиганда с этим белком.

Сейчас ученые приближаются к решению «обратной задачи» – не искать лиганд для известного белка, а определить белок-мишень по структуре избирательно связываемого им лиганда.

Цели протеомики

1. Инвентаризация белков в нормальной клетке каждого типа- белки-маркеры данного типа клетки.

2. Пространственная структура всех белков нормальных клеток каждого типа и их функции- белки-рецепторы и белки-лиганды клеток.

3. Потенциальная способность белков взаимодействовать с другими молекулами в организме, например, лекарственные средства.

4. Поиск алгоритма формирования пространственной структуры белков в нормальной клетке.

5. Поиск белков, причастных к возникновению разных болезней у человека, в том числе белки, превращающие нормальную клетку в раковую. Эти белки – маркеры больной и дефектной клеток и мишени для воздействия на них лекарств.

6. Составление белковых тестов с помощью белковых микрочипов для ранней диагностики любой болезни, в том числе рака, в самом еe начале и даже до ее начала. Это есть II уровень ранней диагностики любой болезни, так как белок – это продукт гена.

На основе генов-мишеней и белков-мишеней лекарства и их дозы будут индивидуальными, т.е. для конкретного пациента. На основе белка-мишени можно будет создавать вакцины против любой болезни – для лечения и профилактики.

По изменениям генома раковой клетки будет определен ее протеом. В нeм будут опознаны белки, специфичные для раковой стволовой клетки, и рассчитана их пространственная структура. С помощью скрининга найдены лекарства, избирательно связывающиеся с этими белками. Геномика найдeт гены мишени в раковой клетке.

Прицельно действующие лекарства против генов-мишеней и белков-мишеней при различных болезнях – это «волшебные пули». О них мечтал сто лет назад великий П.Эрлих.

Как пишет акад. А.И. Арчаков (2002), рано или поздно генная и белковая диагностика болезней и, прежде всего раковых клеток, «станут массовыми» и окажутся «привычным делом, как анализ крови». Лекарства будут попадать точно «в цель», т.е. в ген-маркер и белок-маркер в дефектных клетках, поэтому, не вызывая побочных эффектов.

Сравнивая генные и белковые картины нормальной клетки данного типа и раковой клетки того же типа, можно будет оценивать эффект лекарств. И, наконец, сама медицина повернется лицом к пациенту, став персонифицированной.<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!