Пислягеномна эра. Протеомика: новые горизонты в фармакологии

На сегодняшний день уже расшифрован геном сотен патогенных бактерий, некоторых грибов, нематод, дрозофилы и мыши; проводятся исследования по изучению генома еще 820 видов животных и растений. Сенсацией 2000 стало расшифровки генома человека в предыдущем варианте. Геном - это весь генетический материал (ДНК) данного организма. У человека он состоит примерно из 3 млрд пар нуклеотидов, часть которых входит в состав 25-40 тыс. Генов и содержится в каждой из около 10 трлн клеток нашего организма (Human genomes, public and private // Nature. - 2001. - 409. - P. 745).

Значение большинства генов в жизнедеятельности клетки еще не выяснено. Ведущие ученые мира надеются определить точную функциональную роль генов путем расшифровки протеома - полного набора белков, кодируемых геномом. Возникла новая наука протеомика, изучающая структуру и функцию протеома. Почти одновременно с обнародованием предварительных результатов исследования структуры генетического кода человека была основана Организация по изучению человеческого протеома (Human Proteomе Organization (HUPO)), задача которой - координация широкомасштабных исследований в области изучения белков и обеспечения их научной и финансовой поддержки. Специалисты считают, что нарушения биосинтеза и процессинга белков лежат в основе молекулярных механизмов развития заболеваний. Как отметил один из основателей HUPO, белки играют ключевую роль в жизнедеятельности клетки и развития заболевания, поэтому без конкретных усилий специалистов в области протеомики ценные достижения геномики реализовать будет невозможно (Abbott A. And now for the proteome... // Nature. - 2001 . - 409. - P. 747). Новые разработки в области протеомики, вне всякого сомнения, дадут толчок бурному развитию биотехнологических методов в современной фармакологии и фармацевтической индустрии и откроют широкие возможности эффективного лечения большинства заболеваний.

ОТ ГЕНОМИКИ К протеомика

Если при нормальной геном стабилен, то протеом - очень динамичный и меняется в зависимости от функционального состояния клетки. Предметом изучения протеомики является не только качественный и количественный состав белков, но и определение их функции, локализации, модификаций, взаимодействия с другими молекулами и тому подобное. На сегодняшний день уже охарактеризованы целый ряд белков. Однако работа по расшифровке протеома ведется гораздо медленнее, чем генома. По подсчетам, оптимальным был бы скрининг нескольких тысяч белков в день, однако сегодняшний темп анализа белков составляет десятки-сотни в день. Такая низкая скорость структурного анализа белков обусловлена ​​использованием чрезвычайно тонкой и трудоемкой технологии. На первой стадии анализа используют двумерный гель-электрофорез, который с 70-х годов прошлого века все еще является «золотым стандартом» протеомных технологии. В результате проведения этого этапа исследования обычно выявляют до 1500 белковых пятен. На второй стадии каждое пятно выделяют и обрабатывают ответствен поздним ферментами. На третьей стадии образованные пептидные фрагменты анализируют с помощью масс-спектрометрии. Набор характерных пептидных фрагментов индивидуального белка - это «отпечаток пальца», который можно легко сравнить с уже известными фрагментами каталогизированных белков. Недавно начали применять новые технологии с использованием иммобилизованных на стеклянной пластинке антител, которые связывают специфические белки (Hadlington S. Snipping away at the human genome // Scrip Magazine. - 2000. - 94. - P. 55-57).

Кроме того, белки намного сложнее, чем нуклеиновые кислоты. Их активность существенно изменяется в результате присоединения к молекуле белка остатков фосфорной кислоты, определенных сахаров, жирных кислот и тому подобное. То есть один и тот же белок может иметь различную пространственную строение, расположение в клетке, функции и активность, чрезвычайно затрудняет расшифровку его биологического значения. Более того, один и тот же ген может кодировать разные белки. Это зависит от того, где начинается и где заканчивается считывания генетической информации с матричной РНК при ее трансляции. Ситуация осложняется еще и тем, что один белок может выполнять несколько функций и наоборот, одна и та же функция может обеспечиваться несколькими белками (Fields S. Рroteomics: рroteomics in genomeland // Science. - 2001. - 291. - Р. 1221-1224 ). Биохимики считают, что в обычной специализированной клетке одновременно присутствуют не более 10 тыс. Белков в разных количествах. Набор белков постоянно меняется в зависимости от фазы клеточного цикла, степени дифференцировки клетки, влияния факторов окружающей среды и тому подобное.

ГЕНОМ / Протея И ПАТОЛОГИЯ

На сегодняшний день уже идентифицированы сотни генов, связь которых с определенными заболеваниями четко доказан. Значительным успехом является то, что практически каждую неделю поступает информация о расшифровке нового «патологического гена». Со временем ученые надеются обнаружить еще большее количество таких генов. Следующим шагом после установления структуры патологического гена является анализ функциональных свойств белка данного гена. После этого разрабатывается активная субстанция, которая имеет или заменить функцию поврежденного белка, или, наоборот, ингибировать его активность. Другим подходом является введение в клетку нормального варианта поврежденного гена.

Многие заболевания вызвано патогенным действием микроорганизмов. Новейшие достижения в области биотехнологии позволяют изучения взаимодействия генома и протеома человека с геномом и протеома патогенных микроорганизмов. Это, например, позволяет разработать практические меры по борьбе с антибиотикорезистентностью многих штаммов микроорганизмов. Некоторые заболевания обусловлены расстройствами регуляции метаболических процессов и нарушением передачи гормональных сигналов внутрь клетки. Их эффективное лечение, как считают ученые, будет тесно связано с использованием достижений фармакогеномика и фармакопротеомикы.

ГЕНОМИКА / протеомика и фарминдустрии

С расшифровкой генома человека в биотехнологической индустрии открылось «второе дыхание». Важную роль в этом сыграл Международный консорциум по секвенирования (установление последовательностей ДНК) генома человека (International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC), который координирует усилия 20 научных лабораторий и академических центров мира (International Human Genome Sequencing Consortium // Nature. - 2001. - 409. - Р. 860-921). Альтернативный проект по расшифровке генома человека выполнила частная компания «Сельдерей Геномикс» (Celera Genomics, Venter JC et al. // Science. - 2001. - 291. - Р. 1304-1351). полученные результаты общедоступные веб-сайте www.sciencemag.org . С результатами исследований, представленными IHGSC, можно ознакомиться в Интернете ( http://genome.cse.ucsc.edu ), Где содержатся сведения о структуре и расположения в хромосомах первых 2300 генов. Компания «Сельдерей Геномикс» намерена распространять информацию о структуре генома человека на коммерческой основе.

Уже сегодня некоторые компании успешно проводят клинические испытания принципиально новых лекарственных средств, разработанных с использованием достижений геномики и протеомики, которые предназначены для лечения генетических нарушений, вирусных и онкологических заболеваний. Например, доказана высокая эффективность препарата Коагулин-В компании «Avigen», который используют для лечения гемофилии, tgDCC-E1A компании «Targeted Genetics», предназначенный для генной терапии рецидивирующего рака головы и шеи, резистентного к стандартной терапии, и тому подобное. Многие другие препараты оказались чрезвычайно эффективными на стадии доклинического испытания.

Недавно на заседании Национальной академии наук США компания «Genset» обнародовала результаты доклинических испытаний препарата Фамоксин - специфического белка для лечения ожирения. Доказано, что Фамоксин существенно снижает как уровень свободных жирных кислот в плазме крови мышей, в рационе которых было высокое содержание жиров и сахаров, так и массу тела. При этом количество потребленного корма оставалась неизменной. Компания надеется, что препарат можно будет применять также для лечения сахарного диабета, некоторых метаболических расстройств и заболеваний ЦНС.

Английские компании «Proteom» и «Sense Proteomic» заключили соглашение о сотрудничестве в области идентификации пептидов, участвующих во взаимодействии внутриклеточных белковых субъединиц различных ионных каналов. Пептиды, проявлять тропность к субъединиц ионных каналов, будут использовать как активные субстанции новых препаратов. Сегодня ионные каналы рассматривают как важную терапевтическую мишень при лечении заболеваний ЦНС, сердца, желчного пузыря. Воздействуя на белок-белковые взаимодействия, специалисты надеются модифицировать активность ионных каналов различных типов.

Компания «Новартис» приобрела компьютерную программу, разработанную швейцарской биоинформационной компанией «GeneData», которая содержит банк данных о геноме и протеом и интегрировала ее с собственной глобальной компьютерной системой с геномики. Сейчас эта компания формирует геномный портфель благодаря как собственным усилиям, так и партнерским отношениям с другими компаниями и научными институтами.

«GeneData» имеет свои представительства в Швейцарии, Германии и США. В Японии ее интересы представляет компания «Teijin Systems». Недавно «GeneData», «MWG Biotech», Вюрцбургский университет (Германия) и Массачусетский технологический институт (США) объединили свои усилия для проведения сравнительных исследований генома Helicobacter pylori и Helicobacter hepaticus с целью выявления генов Helicobacter hepaticus, «ответственных» за канцерогенез. Эта бактерия способна вызывать хронический активный гепатит, рак печени и воспалительные заболевания кишечника у мышей.

Как стало известно, несколько компаний объявили о намерении привлечь дополнительные средства в создание инновационных препаратов на основе технологий геномики и протеомики. Так, компания «Tularik» планирует вложить в разработку новых лекарственных препаратов, предназначенных для лечения рака, цитомегаловирусной инфекции, ожирения и сахарного диабета, 69 млн долларов США, а немецкие компании «Evotec BioSystems» и «MorphoSys» - 64 и 25800000 евро соответственно. На разработку противоопухолевых ингибиторов ангиогенеза американская компания «EntreMed» выделила более 25 млн долларов. С целью создания новых фармакологических субстанций для лечения трещин заднего прохода и мужского гипогонадизма «Cellegy Pharmaceuticals» намерена ассигновать 10100000 долларов, а «Transkaryotic Therapeutics» и бельгийская «Devgen» решили вложить 132 млн долларов и 23 млн евро в создание и проведение доклинических и клинических испытаний новых биотехнологических препаратов. На разработку вакцин нового типа французская компания «Hybrigenics», которая специализируется на функциональной протеомике планирует привлечь 60 млн французских франков (9800000 долларов), а немецкая «Evax Technologies» - 16 млн немецких марок (8500000 долларов). Австралийское правительство приняло ряд мер для поощрения местных фармацевтических компаний к развитию геномного и протеомных подходов в создании новых препаратов. Так, правительство ассигновало 614 млн австралийских долларов (410 млн долларов США) на проведение соответствующих исследований и создания государственного агентства «Biotechnology Australia», которая будет координировать деятельность в области биотехнологии. Японское правительство также принимает меры для ускорения развития биотехнологического сектора здравоохранения. К 2010 г.. Ассигнования на эту отрасль планируется увеличить в 25 раз. Правительство предлагает частным компаниям государственную поддержку, а также поощряет к более тесному сотрудничеству государственные, академические и отраслевые институты. В результате проведения таких мероприятий в конце 2010 г.. В Японии, по прогнозам экспертов, будет насчитываться около 1000 (!) Новых биотехнологических компаний.

ПУТЬ ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

На примере Ендостатину производства компании «EntreMed» можно проследить путь, который проходят практически все препараты с момента теоретического обоснования их применения к производству в промышленных масштабах. Так, установлено, что малые опухоли не могут развиваться одновременно с первичными опухолями, которые достигли значительных размеров. Этот факт позволил высказать гипотезу, согласно которой первичная опухоль секретирует определенные ингибиторы роста меньших опухолей. На сегодняшний день известно 14 белков, которые секретируются первичной опухолью. Некоторые из них подавляют рост малых новообразований благодаря ингибированию ангиогенеза, а другие, наоборот, стимулируют его. В 1996 г.. Специалисты компании «EntreMed» использовали белки, которые подавляли образование сосудов в раковых опухолях, а именно фрагмент коллагена XVIII типа и фрагмент плазминогена как активные субстанции в процессе создания препаратов Ендостатин и Ангиостатин соответственно. Совместно с сотрудниками американского Национального института рака они идентифицировали и выделили ген активной субстанции Ендостатину, что позволило уже в 1997 году. Разработать рекомбинантную технологию получения активной субстанции, идентичной человеческой белка. Результаты токсикологических исследований этого препарата показали, что он не проявляет никакого токсического эффекта. В апреле 1999 на ежегодном заседании Американской ассоциации противораковых исследований была доказана способность Ендостатину на 90% подавлять метастазирования меланомы у мышей на ранних стадиях и на 70-90% - на поздних. В июле того же года FDA дало разрешение на проведение I фазы клинических испытаний Ендостатину в лечении солидных опухолей. Первые пациенты получили этот препарат в сентябре 1999 г.. (Институт Дана-Фарбер, США). Начальную стадию I фазы клинических испытаний финансировала компания «EntreMed», дополнительные исследования - Национальный институт рака. Для обеспечения пациентов достаточным количеством Ендостатину компания «EntreMed» в апреле 2000 г.. Заключила соглашение о его производство с фирмой «Chiron Corporation». Ученые надеются, что в скором будущем препарат будет одобрен FDA, после чего он поступит на фармацевтический рынок США.

ОСНОВАНИЯ ДЛЯ сдержанности

К 1998 гг. В США уже тысячи больных получили генетическую терапию. Еще рано делать окончательные выводы о отдаленные результаты лечения, однако большинство специалистов согласны с тем, что единственным способом лечения многих неизлечимых болезней является генотерапии (Киселев Л.Л. Геном человека и биология ХХ века // Вестник Российской Академии наук. - 2000. - 70 , № 5. - С. 412-424). Ученые надеются, что геномные препараты отличаться чрезвычайно высокой селективностью и низкой токсичностью, поскольку будут содержать высокоочищенные индивидуальные гены и белки с заранее известными свойствами.

Следует отметить и те проблемы, с которыми столкнулись исследователи. Так, для того, чтобы желаемый ген попал внутрь клетки, его обычно «пришивают» к аденовируса. Последний легко проникает в клетку, транспортируя нужный ген. В литературе описан случай, когда назначение «посаженного» на аденовирус эндотелиального фактора роста сосудов (стимулирует образование новых сосудов у пациентов с ишемической болезнью сердца) молодому человеку с заболеванием печени привело к летальному исходу. Это произошло во время Первой фазы клинических испытаний, которые проводились в Пенсильванском университете. Смерть молодого человека вызвала опасения по поводу безопасности подобных клинических испытаний, а фармацевтическая компания, которая проводит клинические испытания, даже предложила временно их прекратить.

Американский консультативный комитет по рекомбинантной ДНК рассматривает возможность установления более жесткого контроля за проведением клинических испытаний препаратов, предназначенных для генной терапии. В частности, выдвинуто требование сообщать Комитет в течение 15 дней о смертельных случаях, которые случаются во время проведения генной терапии. Не исключено, что в недалеком будущем Консультативный комитет будет рассматривать вопросы, связанные с безопасностью использования лекарственных средств, предназначенных для проведения генной терапии, перед тем, как они попадут на рассмотрение FDA. Несмотря на трудности, перспективы успешного развития генной терапии и фармакопротеомикы очевидны (Hadlington S. Snipping away at the human genome // Scrip Magazine. - 2000. - 94. - P. 55-57).

ИМЕЮТ протеомных ПРОДУКТЫ ПРЕИМУЩЕСТВО?

Преимуществом протеомных продуктов является то, что их можно транспортировать в клетки с помощью липосом. Это дает возможность избежать негативного влияния вируса-транспортера (вектора). Многообещающим является использование трансгенных животных, в клетки которых вводят определенный ген, для продукции соответствующих белков. Так, в декабре прошлого года сотрудники Рослинского института (где клонировали овцу Долли) разработали технологию получения человеческого белка, который обладает выраженными противоопухолевыми свойствами. Ученые также вывели курицу по имени Бритни с геном данного белка, поэтому в яйцах, снесенных этой курицей, в высоком количестве содержится указанный белок. Ученые этого института сотрудничают с биотехнологической фармацевтической компанией «Viragen» в области разработки нового противоопухолевого препарата. Они уверены, что разработанная технология позволит выпускать значительно дешевле протеомных препараты по сравнению с теми, которые получены по традиционным технологиям (A concerted attack on cancer // Scrip Magasine. - 2001. - 98. - P. 68-70).

ПРОГНОЗЫ НА БУДУЩЕЕ

На Всемирной конференции «Геном человека», которая состоялась в прошлом году в Ванкувере (Канада), обсуждались вопросы развития геномики человека на ближайшие 40 лет. Ф. Коллинз, руководитель программы «Геном человека», высказал предположение, что к 2010г. Будут разработаны методы генной терапии около 25 наследственных заболеваний и профилактические мероприятия по снижению риска возникновения распространенных болезней. По прогнозам экспертов, к 2020 г.. Благодаря достижениям геномики и протеомики удастся разработать и освоить производство новых противодиабетических и антигипертензивных препаратов, а также других принципиально новых лекарственных средств, что позволит проводить прицельную терапию онкологических заболеваний, направленную на модификацию свойств неопластических клеток. Фармакогеномика и фармакопротеомика постепенно станут общепринятым подходом в создании многих лекарственных препаратов. Предполагается, что к 2030 г.. Будет каталогизированы гены, участвующие в процессах старения, а также проведены экспериментальные исследования по увеличению продолжительности жизни человека.

К 2040 г.. Все мероприятия по охране здоровья в США будут базироваться на достижениях геномики и протеомики. Болезни выявлять путем молекулярного мониторинга на ранних стадиях, а для лечения большинства заболеваний применять генную / протеомных терапию. Традиционные лекарственные препараты будут замещены генными и белковыми веществами, которые производит организм в ответ на введение лекарств. По мнению специалистов, проведены мероприятия позволят увеличить среднюю продолжительность жизни в США до 90 лет.

Виктор Маргитич

Похожие