Ученые обнаружили, что человеческое тело содержит более 25 000 генов, но то, что они делают, по большей части остается загадкой. "Мы не знаем функции подавляющего большинства генов," говорит Неван Кроган, доктор философии, директор филиала Калифорнийского института количественных биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Франциско.
Он и его команда пытаются разгадать эту загадку, исследуя гены и белки, которые они кодируют, через сверхширокую линзу, а также создавая крупномасштабные карты физических и генетических взаимодействий.
Такой подход переворачивает традиционные биологические исследования с ног на голову и является неотъемлемой частью точной медицины. В прошлые годы большинство исследователей изучали гены или белки по одному, объясняет Кроган. Это восходящее стремление обычно начиналось с гипотезы и очень слабого понимания чрезвычайно сложной структуры, в которой заключен ген.
Но как только ученые идентифицировали и нанесли на карту все гены в геноме человека, эти обширные знания, наряду с новыми сложными инструментами, привели к поиску сверху вниз. Исследователи вроде Крогана теперь глобально изучают биологические системы, чтобы лучше понять внутреннюю работу клеток. Он особенно сосредоточен на взаимодействии между генами и производимыми ими белками, которые выполняют широкий спектр функций в организме.
"Если вы поймете механизм, в котором работает белок, тогда изучение этого белка и соответствующего гена станет намного проще," – говорит Кроган, который также является следователем в J. Институты Дэвида Гладстона. Исследователи получают эту картину с высоты птичьего полета, анализируя большой объем данных с помощью сложных компьютерных алгоритмов.
Эта беспристрастная стратегия отказывается от гипотез и позволяет данным говорить. "Клетки умнее нас. Если мы сможем разработать инструменты, позволяющие клеткам рассказывать нам свои секреты, не вмешиваясь в то, что, как нам кажется, мы знаем, данные станут намного более мощными," он объясняет.
Системная работа Крогана не только проливает свет на то, как функционируют гены и белки, но также проливает свет на лежащую в основе биологию болезни для каждого человека – центральную цель "омики" медицина, один из столпов, на которых зиждется платформа точной медицины UCSF.
Раздражающие вирусы
Инфекционные заболевания, вызываемые вирусами, в прицеле Крогана. Многие вирусы имеют менее двух десятков генов, но являются "фантастический инструмент для понимания молекулярной биологии," он говорит. "По сути, они захватывают и изменяют все основные биологические процессы в зараженной клетке."
Сеть белок-белкового взаимодействия, включающая ВИЧ и человеческие белки: было обнаружено, что белки ВИЧ (зеленые узлы) и человеческие белки (черные узлы) физически взаимодействуют (белые линии). Взаимодействие между человеческими белками (серые линии) показывает молекулярные машины, захваченные белками ВИЧ в ходе инфекции. Нарушение связей между ВИЧ и человеческими белками может обеспечить будущие терапевтические стратегии для борьбы со СПИДом.
Чтобы узнать, как вирусы завершают эту атаку, Кроган и его команда помечают вирусные белки, вводят их в человеческую клетку, а затем извлекают. Затем, используя инструмент, называемый масс-спектрометрией, они определяют, какие белки человека (или хозяина) атакуют вирусные белки. "По сути, мы делаем шаг назад, чтобы взглянуть на глобальный ландшафт того, что нужно вирусу в ходе заражения," он говорит.
Они начали с ВИЧ, введя 18 белков ВИЧ в человеческую клетку. Команда обнаружила 400 белков человека, захваченных патогенами. Впоследствии они проанализировали дюжину других вирусов, включая полиомиелит, грипп, герпес, гепатит С и денге, и обнаружили, что вирусные белки захватили общий набор белков хозяина.
Эти белки-хозяева могут служить мишенями для новых лекарств, говорит Кроган. "Если вы можете предотвратить эти взаимодействия, у клетки будет больше шансов на борьбу." Он отмечает, что нацеливание лекарств на белковые взаимодействия, а не на вирусы, также может помочь избежать лекарственной устойчивости, поскольку вирусы способны быстро мутировать и становиться устойчивыми к лекарствам.
"Будут ли эти белки в конечном итоге служить лучшими терапевтическими мишенями для будущих исследований?? Я считаю, что ответ – да. Мы пытаемся получить серебряную пулю."
Создание мега-карты для преодоления мутаций
Кроган углубляется в изучение ВИЧ, сотрудничая со Стивеном Волински, доктором медицины, экспертом по инфекционным заболеваниям Северо-Западного университета. Волински и несколько других провели три десятилетия, отслеживая когорту из примерно 7000 ВИЧ-устойчивых мужчин, пытаясь выяснить, что делает их устойчивыми. Кроган дал Волински список из 400 генов, определенных его командой в качестве вирусных мишеней. Волински секвенирует эти гены, чтобы определить, существуют ли какие-либо мутации. Если это так, Кроган планирует применить свой подход к изучению того, как эти гены работают, чтобы способствовать устойчивости.
Хотя в настоящее время он занимается вирусами, Кроган считает, что та же методология может быть использована для выявления биологии, лежащей в основе других болезней. "Подобно тому, как гены в вирусах участвуют в сговоре, чтобы вызвать инфекцию, мутировавшие гены работают вместе хитрым образом, создавая болезненное состояние," он говорит.
Наука добилась больших успехов в выявлении наборов мутировавших генов, которые приводят к определенным заболеваниям. "Но если мы не знаем, что делают эти гены, как мы можем понять, как с ними бороться??" спрашивает Кроган.
Он хочет создать крупномасштабные карты белок-белковых и генетических взаимодействий, чтобы показать, как все гены и белки в клетке взаимодействуют друг с другом – как они соединяются и взаимодействуют как физически, так и функционально. Это было бы похоже на схему машины, показывающую, как все части работают вместе, когда машина работает плавно.
Эта исчерпывающая картина клеточной связи обещает помочь исследователям точно определить, как функционируют неизмененные гены. Например, знание того, что белок является частью комплекса из четырех белков, значительно упростило бы изучение этого белка. Тогда можно будет ввести мутацию, чтобы увидеть, что разворачивается. Прерваны ли определенные соединения или пути?
"Точная медицина могла бы стать более мощной, потому что у нас была бы база, с которой можно было бы сравнивать, когда гены идут наперекосяк," Кроган пророчествует.