5 курс / Онкология / Рукавишников А.И. Азбука рака

Этот труд по своей роли в истории медицины ученые сопоставляют толь-

ко с Гиппократовым сборником.

«Канон» был составлен в первые десятилетия XI в., впервые был отпеча-

тан на арабском языке в Риме в конце XVI в., затем был ряд переводов его на латинский язык.

Много веков подряд его штудировали в университетах и школах Запада и Востока как обязательное руководство для врачей. Да и сегодня каждый чита-

тель находит в нѐм много интересного и поучительного.

Ибн Сина определял медицину так: «медицина – наука, познающая со-

стояние тела человека, поскольку оно здорово или утратит здоровье, ради того,

чтобы сохранить здоровье и вернуть его, если оно утрачено».

«Познание всякой вещи, если она возникает, достигается и бывает совер-

шенным через познание еѐ причин, если они имеются». Поэтому ибн Сина го-

ворит: «в медицине следует знать причины здоровья и болезни. Причины эти бывают явные и скрытые».

«В истинных изъяснено, что познание вещи приобретается через позна-

ние еѐ причин и начал. Материальные причины – это заложенные в теле осно-

вы».

Теперь нам можно перейти к определению состояний живого существа.

Среди состояний живого существа ибн Син различал: «здоровье» и «ут-

рата здоровья». В утрату здоровья он включал два состояния: «болезнь» и «не здоровье и не болезнь». Для сегодняшнего дня «не здоровье и не болезнь» – это предболезнь.

Познание состояний живого, писал ибн Син, требует знания их причин. И

на это ушли века. Многие учѐные пытались дать определение «болезни», а оп-

ределения «здоровья» практически не касались. Но мы до сих пор не имеем правильного и понятного определения ни здоровья, ни болезни.

На наш взгляд, выделенные впервые ибн Син состояния живого, – основа для их определения.

41

Лишь недавно прогресс науки – расшифровка генома человека и начало изучения его эпигенома дают нам возможность решить эту проблему или за-

метно приблизиться к ней. Но для этого прежде надо дать ответ на вопрос: что

является причиной этих состояний?

Ответ: причиной является эпигеном живого существа, так как: 1) именно эпигеном «контролирует и регулирует работу каждого гена» в клетке и 2) на-

рушения экспрессии гена или генов в нормальной клетке – причина болезни

(А.И. Арчаков, 2000).

Анализ эпигенома позволит определить каждое из этих состояний, в том числе промежуточное состояние – предболезнь; в схеме это можно было бы

нарушениями функций организма Примечания:

1. В пункте «а» тип исследуемой клетки должен быть одинаковым с ти-

пом клетки идеального эпигенома.

2.Регистрация отличий эпигенома исследуемого образца от идеального эпигенома.

3.Сравнение эпигеномов проще проводить на ДНК-чипах.

1 Идеальный эпигеном, т.е. стандарт здоровья.

42

Глава 2. Протеом нормальной соматической клетки

2.1. Протеом клетки – значение для медицины, ранней диагностики

раковой клетки и излечения рака

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

Оно будет уничтожать: при инфекциях – возбудителей, при раке – рако-

вую стволовую клетку, не повреждая здоровых клеток, действуя на белок, вы-

зывающий 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 еѐ ДНК, повреждая еѐ 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 еѐ поверхности, на нормаль-

ной 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

43

XX в. стало ясно, что белки – главные участники всех жизненных процессов в клетке. После открытия структуры генома оказалось, что знания о нѐм 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 еѐ белках произойдут соответствующие изменения: 1) нет белка или его мало; 2) изменена первичная структура белка; 3) избыток нор-

мального белка в клетке; 4) нет деградации дефектного белка в клетке.

Что такое протеом?

Термин «протеом» образован от слова «протеин» и окончания слова «ге-

ном».

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.

Учѐные торопились открыть строение генома клетки для того, чтобы по-

нять, какие белки участвуют в выполнении функций в нормальной клетке каж-

дого типа и в дефектных клетках при различных болезнях.

Как образуются белки?

Для синтеза белка с его гена снимается копия – иРНК. Этот процесс на-

зывается транскрипцией. До последнего времени считалось, что с каждого гена снимается копия одного белка. Теперь оказалось, что с различных участков ге-

на снимается несколько копий – до 20, значит, синтезирован будет не один бе-

лок, а несколько.

44

Синтез белка происходит на рибосоме, иРНК, т.е. копия гена, является матрицей для синтеза белка. Этот процесс называется трансляцией. В нѐм уча-

ствуют и другие РНК.

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

мин, гуанин, цитозин.

Из трѐх нуклеотидов в ряд образуется кодон и порядок оснований в нѐм диктует, какая из аминокислот будет синтезироваться. Например, участку ко-

пии гена Т-Т-Т соответствует аминокислота лизин, а участок цепи гена А-Ц-А – цистеину и т.д.

На рибосоме по последовательности оснований синтезируются амино-

кислоты, а они в той же последовательности соединяются в цепь – первичную структуру белка. Как транскрипция, так и трансляция осуществляются специ-

альными ферментами, ген в этих процессах дает только программу синтеза.

После синтеза этот продукт должен претерпеть ряд химических измене-

ний и только после этого принимает пространственную структуру – трѐх-

мерную 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 ме-

шает белку выполнять свои функции в клетке. Информация о пространственной структуре каждого белка – своя, она постоянная и неизменная. Это опознава-

тельный знак или пароль для иммунной системы. Любой незнакомый организ-

му белок подлежит уничтожению.

45

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 спо-

собна уничтожать. Но против потомства раковых клеток, т.е. рака, обычно не-

эффективна. Это объясняют рядом причин.

В последнее время выяснено, что мутации генов в клетках иммунной сис-

темы 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. Учѐные это вы-

ражают 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 ко-

нкретное знание того, что есть».

А. Волков (2002): «гены – всего лишь ―инструкция‖ или ―схема‖, по кото-

рой изготавливается подлинный ―продукт‖ – протеины, т.е. белки».

В генах все определяет последовательность нуклеотидов, в белке – по-

следовательность аминокислот.

46

Функции белков в клетке каждого типа: белки – это строительный мате-

риал; белки-переносчики различных сигналов; белки-рецепторы для перенос-

чиков этих сигналов; белки – это антитела в организме; важнейшими среди всех белков в клетке являются белки-ферменты, катализирующие каждую химиче-

скую реакцию в клетке и др.

Методы определения пространственной структуры молекулы белка Белок устроен намного сложнее гена. Если ген составлен из четырѐх ви-

дов 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 на-

бор 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 «ведѐрко». Он проверяет про-

странственную структуру у каждой молекулы белка.

Из-за повреждения гена нарушается конфигурация его молекулы белка. В

таком случае «шаперон» это распознаѐт, втягивает белок в «ведѐрко», развора-

чивает молекулу в исходную цепь аминокислот и выбрасывает «на свободу»,

т.е. даѐт ей попытку ещѐ свернуться правильно.

Процесс фолдинга для медицины имеет огромный интерес. Правильная структура белка обеспечивает правильную функцию, а нарушение простран-

ственной 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 по-

47

ложения каждого атома в данном конкретном белке. В первую очередь это ме-

тод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), а также рентгеноструктурный ана-

лиз кристаллов белка.

В этом знании недавно сделан настоящий прорыв. В 2002 г. объявлены Нобелевскими лауреатами по химии специалисты в области масс-

спектрометрии американец Дж.Б. Фенн и японец К. Танака, а также швейцарец К. Вютрих – специалист по проблемам ядерно-магнитного резонанса.

Учѐные разработали методы, позволяющие быстро и надежно опреде-

лять: какие белки содержаться в пробах, а также воспроизводить трѐхмерное изображение молекул белков в растворе.

Взаявлении при вручении премии было сказано, что награды «за успехи

впонимании жизненных процессов», т.е. появляется возможность увидеть бел-

ковые молекулы и понять механизм их функционирования.

Учѐные поясняют, – за разработку мощных аналитических методов для исследования больших молекул – белков, что может привести к появлению но-

вых эффективных лекарств.

Считают, что именно эти учѐные 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 ре-

зонансе и позволяющим определять структуру белка.

В результате работ этих учѐных стало возможным делать трѐхмерное 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 от-

крытия этих троих учѐных называют – «отцы-основатели протеомики».

48

Но, принимая во внимание громадное количество атомов даже в про-

стейшей молекуле белка, очевидно, что такие методы очень трудоѐмки, дли-

тельны и дорогие, т.е. «не для нас» (А.И. Арчаков, 2000).

Поэтому учѐные заинтересовались, можно ли предсказывать трѐхмерную структуру белка, основываясь лишь на известной последовательности его ами-

нокислот или генетического кода, который определяет последовательность аминокислот. Предсказание, какая молекула белка получится из последова-

тельности азотистых оснований конкретного гена – одна из важнейших задач,

встающих после определения генома человека.

Оказалось, что с помощью компьютерного моделирования становится во-

зможным правильно предсказывать пространственную структуру белка.

Зная свойства аминокислот притягиваться или отталкиваться друг от дру-

га и применив компьютерное моделирование, теоретически можно спрог-

нозировать и их расположение в пространстве. Число работ с использованием молекулярного моделирования растѐт год от года, и на пути предсказывания конформации молекул белка приближаются большие сдвиги. До сих пор неиз-

вестно, 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 по-

иске новых лекарств – лиганд. Для нас – это поиск лекарств от раковых клеток.

Раковая клетка или клетки возникают в любом организме, даже у здоро-

вого человека. Она имеет аномальное строение и нарушенные функции. Еѐ по-

явление 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 ещѐ не болезнь, но еѐ начало. Если она не будет уничтожена апоптозом, то из неѐ возникнет потомст-

во клеток, т.е. рак.

49

Все белки раковой клетки кодируются геномом организма-хозяина, по-

этому 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 излече-

ния 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, вы-

полняет определѐнную функцию в клетке. Наша задача заблокировать его дей-

ствие или в другом случае восполнить функцию повреждѐнного 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 специали-

зированные разъѐмы, к которым возможно присоединение других веществ. Для того чтобы заблокировать белок, надо присоединить к его активной зоне неко-

торое вещество, т.е. молекулу, которая полностью погасит активность этой зо-

ны, а также создаст прочную химическую связь с белком-мишенью, с тем, что-

бы эта связь была неразрывна. Такое вещество, т.е. молекула, и называется ли-

ганд.

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 учѐные 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

50