Итак, ДНК – это куда более открытая система, чем считалось прежде. Все эти генетические колесики и рычажки поворачиваются легче, чем принято считать. В какой-то мере мы и впрямь оказываемся «кузнецами своей судьбы». Приобретая те или иные привычки – опыт близнецов тому порукой, – мы сами определяем, что может с нами случиться, какими мы можем стать. Касается это в первую очередь нашего здоровья. Образно говоря, любой поступок, любой сделанный шаг может неожиданно отразиться на генетике человека. Что-то активизируется, что-то нокаутируется – и так всю жизнь. Сплошные удары судьбы!
Для биологов и медиков знание всех протеинов, содержащихся в организме, важнее, чем знание генома
Однако эпигенетические изменения нестабильны. Они быстро накапливаются, но могут и легко исчезнуть. Они регулируются процессами, протекающими в организме, а также внешней средой. Тут можно назвать и процессы, связанные со старением организма, и особенности питания, и пережитый нами стресс, и лекарства, которые мы вынуждены постоянно принимать, и даже эмоции, испытываемые нами. Научно доказано, что эпигенетические изменения, вызванные, например, стрессом, могут при определенных условиях передаваться трем-четырем следующим поколениям (этот факт вызвал в кругах ученых бурные споры, виделся многим ошибкой, каким-то лженаучным утверждением). Для нашего организма, отмечают исследователи, чрезвычайно важно, что он может так гибко реагировать на вызовы, которые бросает нам окружающая среда.
На сегодняшний день установлено, что нарушение метилирования ДНК и другие эпигенетические сигналы приводят к преждевременному старению, способствуют развитию таких патологий, как диабет, астма, псориаз, вызывают хронические заболевания и тяжелые психические расстройства (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, аутизм, шизофрения), оказывают влияние даже на то, как мы переносим инфекционные болезни. Известно, что многочисленные микроорганизмы, обитающие внутри нас, в том числе вирусы и грибы, способны менять метилирование ДНК и тем самым они заставляют наши гены выполнять то, что выгодно им.
В медицине сформировалось даже отдельное научное направление – эпигенетика рака. Ведь характерные эпигенетические нарушения известны сегодня почти для всех видов злокачественных новообразований. Они возникают уже на самой ранней стадии рака и обуславливают, как будет протекать болезнь. Эти выявленные эпигенетические маркеры должны служить своего рода мишенями для новых противоопухолевых препаратов, которые будут лечить не «рак вообще», а онкологическое заболевание вполне конкретного человека.
В каком-то смысле эпигенетика и впрямь больше чем генетика. Она может решительно менять живой организм, не затрагивая принципиальной схемы, по которой тот создан. В ближайшие десятилетия ученым предстоит досконально понять, как эти изменения влияют на наше здоровье.
Тысячи… тысячи протеинов
Итак, в 2001 году удалось составить точную карту генома человека – получить бесконечный ряд «букв», в котором среди биологического мусора затеряны отдельные «слова», то бишь гены. После этого пришло время заняться «биогерменевтикой» – истолковать добытую запись, отыскивая среди непонятицы знаков все новые гены.
Но в поисках случайных «слов» не утратим ли мы общий смысл сказанного? Гены – всего лишь «инструкция», «схема», по которой создана подлинная загадка природы: протеины, то есть белки. Говоря языком, понятным всем, гены – поваренная книга, испещренная тысячами рецептов; протеины – угощение, выставленное на стол.
Без протеинов не было бы жизни. Из них состоят бесчисленные клетки и ткани, слагающие наше тело. Они в обличье ферментов, медиаторов и других биологически активных элементов вдыхают в него жизнь. Они определяют всю нашу жизнь – наше здоровье и судьбу.
В процессах, протекающих внутри организма, участвует невероятное множество белковых молекул. Для ученых всё более понятно, что разнообразие жизненных процессов нельзя сводить исключительно к генам. Его надо искать на других уровнях – уровнях клеток и протеинов.
Именно поэтому для биологов и медиков знание всех протеинов, содержащихся в организме, представление о том, как они работают, еще важнее, чем знание генома. Однако изучить всю совокупность протеинов, понять, для чего они нужны, что за обязанности выполняют, как влияют на здоровье, гораздо труднее, чем расшифровать геном. Структура протеинов очень разнообразна. В каждой ткани, в каждой клетке нашего тела имеется бесчисленное множество протеинов.
В начале XX века они уже пребывали в центре внимания ученых. Именно тогда стало ясно, что белковые молекулы являются основными участниками жизненных процессов. Поэтому их назвали «протеинами» (от греческого слова protos, «первый», «важнейший»).
Однако в середине XX века, когда была открыта структура ДНК, всё внимание ученых переключилось на генетический код живых организмов. Протеины казались теперь чем-то второстепенным. Примерный механизм их возникновения стал понятен. Гены представляют собой, в частности, инструкцию по сборке протеинов. Еще в конце XX века считалось, что у каждого гена имеется схема всего одного протеина с одной-единственной функцией. Однако это оказалось не так, выяснилось, что всё гораздо сложнее.
Да, выработка протеинов кодируется генами; они отвечают за то, сколько жизненно важных элементов будет произведено в различных клетках – на этих бесчисленных «заводиках», из которых состоит наш организм. Все эти поставки протеинов, казалось бы, жестко распланированы от рождения, но «генеральный план нашего организма» из года в год меняется. Активность одних генов со временем может нарастать либо уменьшаться. Нарушается тогда и обмен веществ. Все эти важные события – как и образование пространственной структуры белка – никак не отмечены в каких-либо схемах (генах).
Ученые часто сравнивают наш организм с гигантской библиотекой, где каждый протеин соответствует отдельной книге. Проблема в том, что до сих пор нет полного каталога, в котором перечислены названия всех этих книг и указаны «места их хранения». Трудно вести опись в библиотеке, где книги живут своей особой жизнью, откуда-то появляются, меняются местами, регулярно обновляют названия, как статус в социальной сети.
И все же над составлением такого каталога давно работают исследователи. По аналогии с геномом – совокупностью всех человеческих генов – сумму всех протеиновых молекул, сформированных будь то в клетке, будь то в организме, называют протеомом. Геном говорит, какие процессы могут теоретически протекать внутри клетки, а протеом – судя по имеющимся протеинам – подсказывает, что в самом деле происходит здесь.
Процессы, протекающие в клетках нашего тела, во многом пока непонятны ученым. Наше незнание тем очевиднее, что мы еще плохо понимаем, за выработку каких именно протеинов отвечают многие из наших генов и от чего зависит уровень этой выработки, то есть активность генов. А ведь знание всего этого помогает понять, как развиваются различные заболевания и как добиться того, чтобы в борьбе с ними лекарства были особенно полезны. Ученые уверены, что знание протеинов, их кропотливая опись, помогут в этом лучше, чем расшифровка генома.
Анализировать протеины труднее, чем подсчитывать и оприходовать гены. Ведь иметь с ними дело хлопотно: они подчас изменчивы, как Протей; они меняют свою структуру вслед за изменением химической среды, да и, в отличие от ДНК, их вряд ли размножишь в пробирке. Если расшифровка генома была автоматизирована так, что «с ней справилась бы любая обезьяна», как едко заметил нобелевский лауреат Джеймс Уотсон, то методы анализа протеинов гораздо сложнее.
Первые обширные версии каталога всех протеинов были представлены в 2014 году учеными из США и Германии. Они выявили в изученных ими тканях тела соответственно 84 и 92 % протеома, обнаружив около 18 тысяч протеинов.
Как отмечает журнал «Nature», около 10 тысяч протеинов составляют, можно сказать, основу нашего протеома. Они встречаются едва ли не в каждой клетке и каждой ткани тела. Очевидно, они поддерживают нормальную работу клеток и контролируют их состояние. В то же время множество других протеинов присутствуют лишь в определенных органах и тканях. Они придают этим частям тела их неповторимый облик, определяют их нормальную работу.
Подобные исследования являют собой важный шаг на пути к полной расшифровке протеома человека. Эта работа займет еще много времени, потребует немалых усилий, но первые каталоги протеинов уже составлены.
Пока ученые еще очень далеки от того, чтобы досконально описать структуру всех имеющихся у нас протеинов – «исчислить» их до последней аминокислоты. Но эту работу надо выполнить, чтобы выяснить, например, все мутации, дефекты и разновидности протеинов, присутствующих в нашем организме. Ведь те же мутации очень заметно влияют на работу протеинов. Многие из этих изменений могут оказаться вредными – они порождают различные болезни, от которых страдает человек.
Каталог протеинов нужен прежде всего для выбора молекул-мишеней – тех молекул, на которые должны воздействовать лекарства, чтобы победить недуг. В будущем, зная протеом конкретного пациента, можно будет подобрать ему персональные лекарства. Болезни будут лечить применительно к анатомии и физиологии человека, выбирая препараты, которые нужны именно ему.
Важно, что протеом очень чувствителен к нашему образу жизни. Активность генов, а значит, и выработка протеинов меняются не только с возрастом, но и под влиянием окружающей среды, а также в зависимости от нашего здоровья. Вот почему одни и те же лекарства хорошо помогают одним больным, страдающим от такого-то недуга, и ни на йоту не улучшают состояние других. Это касается, например, противораковых препаратов.
Лишь учитывая влияние протеинов, зная их состав и количество, можно подобрать пациенту индивидуальный курс лечения, прописать лекарства, которые помогут именно ему. Кроме того, у ученых появляется возможность досконально узнать, как меняется состав протеинов при том или ином заболеваний. Всё это приближает время персональной медицины, нужной каждому отдельному человеку, по-настоящему спасительной медицины. Так закладываются основы медицины завтрашнего дня.