Перспективы развития фармакогенетики
Прошло уже без малого 5 лет с тех пор, как учёные, стоящие во главе двух конкурирующих между собой научных групп – Фрэнсис Коллинз (Francis Collins), руководитель финансируемого рядом государств многонационального проекта "HUGO", и Крэг Вентер (Craig Venter), шеф частной американской фирмы "Celera Genomics", – объявили о том, что начинают публиковать результаты своих многолетних исследований, направленных на прочтение генома человека. Известие о расшифровке генома вызвало тогда поистине массовую эйфорию как в научных кругах, так и среди широкой общественности. Газеты, радио и телевидение не поскупились на громкие слова, возвестив о "прочтении Книги жизни", о "наступлении новой эры в биологии и медицине" и даже о "приближении полной и окончательной победы человечества над болезнями".
Сегодня учёные оценивают успехи, достигнутые геномикой, более трезво. Дело в том, что инвентаризация всех генов – а именно в этом и состояла цель проекта "Геном человека" – дала совершенно неожиданный и поистине сенсационный результат: генов в человеческом организме оказалось в несколько раз меньше, чем предсказывали специалисты. Учёные исходили из цифры в 120 или даже в 140 тысяч, в действительности же количество генов не превышает 25-30 тысяч. Это заставило биологов кардинально пересмотреть свои представления о том, как функционирует организм на внутриклеточном уровне. Раньше считалось, что каждый из генов отвечает за синтез одного белка, который, в свою очередь, обеспечивает ту или иную функцию в организме человека. Теперь стало ясно, что каждый ген кодирует множество разных белков и что именно сложнейшим взаимодействием белков и определяются все функции организма. Это привело к смене приоритетов в науке: несколько потеснив геномику, изучающую гены, на первый план выдвинулась протеомика, изучающая белки. По аналогии с "HUGO" (Human Genome Organisation) – международным проектом по картированию генома – был создан консорциум "HUPO" (Human Proteome Organisation), задача которого – инвентаризация всех белков и картирование протеома, то есть полного набора протеинов в организме человека. Большое внимание этой проблематике уделили и участники прошедшей на минувшей неделе в Праге ежегодной сессии Европейского общества генетики человека.
Профессор Йенс Шнайдер-Мергенер (Jens Schneider-Mergener), руководитель берлинской биотехнологической фирмы "Jerini AG" , поясняет:
В нашем организме существует значительно больше ста тысяч различных протеинов, и все эти протеины выполняют отведённые им природой функции, взаимодействуя между собой. Они как бы общаются друг с другом на своём особом языке: соприкасаются, перемещаются, трансформируются и благодаря этому осуществляют невероятное количество самых разных функций. Выявить эти сложные взаимосвязи – вот в чём состоит задача, и решить её призвана протеомика.
Похоже, в том, что касается оценки количества имеющихся в человеческом организме белков и объёма предстоящих исследовательских работ, профессор Шнайдер-Мергенер относится к числу оптимистов.
Профессор Ангелика Гёрг (Angelika Görg), руководительница рабочей группы "Протеомика" в Техническом университете Мюнхена, называет ещё более впечатляющие цифры:
Нужно иметь в виду, что геном человека состоит примерно из 30-ти тысяч генов, и каждый из них, по нашим сегодняшним представлениям, кодирует в среднем 10 разных протеинов. Таким образом, мы легко выходим на цифру в 300 тысяч протеинов. Конечно, они никогда не присутствуют в одной клетке все одновременно. Напротив, набор белков, скажем, в клетке печени весьма существенно отличается от набора белков в клетке почки или в нервной клетке. Отсюда следует, что изучение протеома – задача несравненно более сложная, чем просто анализ генома. Зато её решение сулит гораздо больше прикладных применений.
Понятно, что создание полной базы данных по протеинам позволит совершить прорыв в деле разработки новых, возможно – революционных, лекарственных препаратов. Именно это соображение заставило сменить ориентиры и компанию "Celera Genomics" – одного из лидеров в расшифровке генома. Сэмьюэл Броудер (Samuel Broder), отвечающий на фирме за медицинские исследования, говорит:
Фирма "Celera" намерена направить свои усилия на мир протеомики – с тем, чтобы соотнести информацию о геноме с информацией о протеинах. Только это и позволит нам нащупать новые пути для разработки более эффективных лекарственных препаратов. Конечно, при этом мы будем активно привлекать для сравнения данные, добытые в процессе расшифровки генома человека. У нас нет никаких сомнений в том, что будущее принадлежит новым направлениям исследований, которые мы называем сравнительной геномикой и сравнительной протеомикой.
Тут следует отметить, что ряд учёных вообще сомневаются в возможности создания полной карты протеома человека – уж слишком необозрима задача. Профессор Шнайдер-Мергенер, несмотря на весь свой оптимизм, быстрых успехов тоже не ждёт:
На расшифровку генома человека ушло около 10-ти лет, и при этом применялись относительно простые технологии. Собственно, это была одна единственная технология – так называемое секвенирование. Для того чтобы расшифровать весь спектр невероятно сложных взаимодействий протеинов между собой, потребуется использование множества различных технологий и методик. Совершенно очевидно, что такая работа займёт гораздо больше времени, чем картирование генома.
Наглядным примером, иллюстрирующим особую роль белков в организме, могут служить гусеница, куколка и взрослая бабочка. Разительно непохожие друг на друга, они представляют собой, однако, различные стадии развития одного и того же организма и, следовательно, содержат в каждой своей клетке совершенно идентичный набор генов. А все жизненные процессы в организме и его превращения диктуются набором белков. Таким образом, активная жизнь клеток определяется протеинами, а гены содержат лишь план этой активности. Поэтому нет ничего удивительного в том, что сегодня более 95-ти процентов всех имеющихся на рынке лекарственных препаратов воздействуют именно на белки. Биохимики фармацевтических концернов надеются, что протеомика даст им возможность на систематической основе выявлять новые целевые протеины и тем самым поспособствует созданию новых медикаментов и диагностических методик.
Сегодня учёные во многих лабораториях мира усиленно занимаются анализом и инвентаризацией белков и сопоставлением их с геномом. Профессор Маттиас Манн (Matthias Mann), сотрудник факультета биохимии и молекулярной биологии университета Южной Дании в городе Оденсе, поясняет:
Мы расщепляем протеины на пептиды – фрагменты белков, удобные для анализа, – дробим их и впрыскиваем в камеру масс-спектрометра. Таким путём мы определяем аминокислотный состав белков. А выяснив последовательность аминокислот, мы можем уже более или менее точно соотнести белки с геномом и высказать предположение касательно того, какими генами какие белки кодируются.
Понятно, что это очень упрощённое описание аналитической методики. К тому же последовательность чередования аминокислот в пептидных цепях определяет лишь так называемую первичную структуру белка. Между тем, ничуть не менее важную роль играют вторичная и третичная структуры, которыми описывается пространственная форма белковой молекулы. Тут достаточно напомнить, что, скажем, неизлечимые на сегодняшний день губчатые энцефалопатии – коровье бешенство у животных и болезнь Кройцфельдта-Якоба у человека – вызываются аномальными белками – прионами, которые отличаются от нормальных лишь несколько иной пространственной структурой при полной идентичности аминокислотного состава. Но и это ещё, к сожалению, далеко не всё: помимо аминокислотного состава и пространственной структуры белка, учёным важно знать, когда он синтезируется в клетке, когда и где он активен, насколько он активен и как взаимодействует с другими белками.
Впрочем, хотя исследования в области протеомики ещё только разворачиваются, уже появились и работы прикладного характера. Один из медицинских аспектов протеомики, сегодня уже вышедший из сферы фундаментальных исследований и занимающий практиков-клиницистов, касается различной восприимчивости людей к лекарственным препаратам. Скажем, одну и ту же противораковую химиотерапию одни пациенты переносят легко, у других же она вызывает тяжелейшие побочные реакции. Решающую роль тут играют наследственные факторы – прежде всего, те гены, которыми регулируется синтез в печени фермента с труднопроизносимым названием дебризоквингидроксилаза. Он относится к системе цитохрома Р450 и носит обозначение 2D6. Основная функция этого фермента – катализ биохимических реакций, в ходе которых происходит расщепление ядовитых веществ. Шведский токсиколог Магнус Ингельман-Сундберг (Magnus Ingelman-Sundberg), сотрудник Каролинского института в Стокгольме, говорит:
Один из генов, относящихся системе Р450, встречается в наследственном материале человека в различном количестве. Известны случаи, когда на одной хромосоме находится до 13-ти копий этого гена. Между тем, этот ген кодирует фермент, обеспечивающий расщепление примерно четверти всех существующих сегодня медикаментов. Поэтому нет ничего удивительного в том, что организм одного пациента расщепляет те или иные лекарственные препараты во много раз быстрее, чем организм другого пациента.
Сегодня в Западной Европе насчитывается примерно 25 миллионов пациентов, у которых этот столь важный фермент в силу тех или иных генетических дефектов не вырабатывается вовсе. А ведь это ни много ни мало 8 процентов населения. Профессор Юрген Брокмёллер (Jürgen Brockmöller), возглавляющий отделение клинической фармакологии университетской клиники в Гёттингене, поясняет:
Лица, у которых отсутствует этот фермент, вот эти самые 8 процентов населения, и составляют подавляющее большинство пациентов, страдающих побочными реакциями на многие препараты.
Иными словами, у этих больных расщепление содержащихся в медикаментах биологически активных веществ происходит столь медленно, что уже самые незначительные дозы лекарств вызывают тяжёлые интоксикации. Это касается, прежде всего, психосоматических препаратов – например, трициклических антидепрессантов, – и средств, понижающих кровяное давление. Гёттингенские исследователи надеются, что количество отравлений медикаментами удастся резко сократить, если ввести специальные фармакогенетические тесты. Профессор Юрген Брокмёллер говорит:
В общем и целом следует отметить, что в Германии до 20-ти тысяч пациентов ежегодно умирают из-за побочных действий лекарственных препаратов. Причём в подавляющем большинстве случаев речь идёт о таких побочных действиях, которые лечащий врач и предвидеть-то не мог, то есть о сугубо индивидуальных аллергических реакциях. И часть этих реакций, как мы надеемся, в будущем удастся предотвращать благодаря фармакогенетическим тестам. Лица, склонные к определённым аллергическим реакциям из-за особенностей своей генной структуры и в силу этого подверженные повышенному риску, получат в генетическом паспорте соответствующую отметку, и лечащий врач либо вообще не выпишет им опасный для них медикамент, либо выберет иную, гораздо меньшую дозировку.
Почти столь же часто в медицинской практике встречаются и случаи прямо противоположные. В Западной Европе проживают примерно 20 миллионов человек со слишком высокой концентрацией цитохрома 2D6 в печени. Это приводит к тому, что лекарственные препараты расщепляются и выводятся из организма слишком быстро. Таким пациентам следует назначать повышенные дозировки медикаментов, иначе они просто не действуют. Магнус Ингельман-Сундберг говорит:
Я считаю, что фармакогенетика может послужить важным подспорьем для практикующего врача – скажем, укрепить его в намерении прописать какому-то пациенту 5-кратную дозу лекарства. Без соответствующего генетического теста врач на такой шаг, скорее всего, не решился бы.
По мнению учёных, за индивидуальные реакции на лекарственные препараты ответственны многие гены и – соответственно – очень многие белки. Помимо ферментов, это, прежде всего, мембранные протеины, то есть белки, выполняющие функцию рецепторов на поверхности оболочки клетки. Профессор Брокмёллер полагает, уже лет через 7-8 у каждого пациента будет генетический паспорт, отражающий его индивидуальные особенности:
Получат ли такой паспорт все пациенты или – что представляется мне более разумным – поначалу лишь те из них, кто принимает много разных препаратов, или, может быть, те, кто страдает болезнями, лечение которых чаще всего сопровождается тяжёлыми побочными реакциями, – это вопрос практической реализации важной и полезной идеи. Главное – вовремя распознать уже самые первые симптомы передозировки, тогда тяжёлых последствий можно будет избежать.
Такая паспортизация пойдёт на пользу не только пациентам, но и системе здравоохранения: во-первых, отпадёт необходимость борьбы с тяжёлыми побочными реакциями, во-вторых, окажется ненужным приём многих дорогих препаратов. Правда, прилагаемые к лекарствам памятки-инструкции с показаниями и противопоказаниями станут ещё длиннее и сложнее. Профессор Брокмёллер говорит:
Это уже постепенно начинается: в инструкциях по применению некоторых препаратов, полученных нами в последние год-два, уже содержится информация о специфических ферментах системы цитохрома Р450, например, о генетически полиморфных ферментах 2D6 или 2C9. Естественно, мы надеемся, что такая информация поможет нам свести побочные реакции к минимуму.
Но если в отношении новых препаратов такие тесты начинают проводиться всё чаще, то со старыми лекарствами, уже не защищёнными патентами и потому не сулящими разработчику значительную прибыль, дело обстоит гораздо хуже, - говорит Магнус Ингельман-Сундберг:
Широкомасштабные клинические испытания, способные дать ответ на вопрос, целесообразно ли определять оптимальную дозировку лекарств на основе фармакогенетического теста, обходятся чрезвычайно дорого. Поэтому сегодня никто не готов финансировать подобные исследования в отношении препаратов, давно имеющихся на рынке. Между тем, такие исследования совершенно необходимы.
И всё же Магнус Ингельман-Сундберг уверен, что такие тесты очень скоро пробьют себе дорогу:
По моим оценкам, фармакогенетические прогнозы способны предотвратить от 10-ти до 20-ти процентов всех побочных реакций на медикаменты, а во многих случаях – и повысить действенность терапии. В одной только Западной Европе этот положительный эффект затронул бы примерно 100 миллионов человек.