Новая глава биологии

Новая глава биологии

Ал Бухбиндер

Последние исследования вносят отрезвляющую ноту в охватившую мир эйфорию, связанную с расшифровкой человеческого генома. Похоже, что хотя наследственная информация действительно передается с помощью генов и именно они играют главную роль в эволюции видов, не всё строение организма закодировано в молекулах ДНК. Огромную роль в формировании жизни играют, например, сахара.

Мы привыкли думать, что сахар нужен для сладости — чая, кофе, пирожных. Но учёные знают, что простые сахара могут соединяться в гигантские молекулы, именуемые сложными сахарами, конкурирующие с ДНК и протеинами в своих размерах и сложности. До недавнего времени биологи полагали, что живые организмы используют сахара как самый дешёвый источник энергии (в виде гликогена) для построения клеточных стенок (в форме целлюлозы) или в качестве этакой „декорации“ на поверхности клеток. Но сейчас выясняется, что эта „декорация“ значительно важнее, нежели сахарная глазурь, украшающая пирожное. 

Исследования показали, что сахара, покрывающие поверхность клеток или присоединённые к крупным биологически активным молекулам (как, например, гепарин к фактору роста), участвуют почти во всех аспектах биологических процессов.

Это — опознание патогенов, свёртывание крови, регуляция длительности жизни гормонов в крови, проникновение спермы в яйцеклетку, управление эмбриональным развитием. Они действуют так же, как сигнальные „флажки“, управляющие движением клеток и белков в теле.

Биологи только начинают постигать действие этих сахаров, но уже сталкиваются с необходимостью пересмотреть установившиеся взгляды на то, как „работает“ жизнь. Так, Геральд Хард, биохимик из американского университета Джонса Гопкинса в Балтиморе, заявляет, что „новому направлению принадлежит будущее. Мы не сможем понять иммунологию, нейрологию, биологию развития или болезни, пока не овладеем гликобиологией. Она находится сейчас на переднем крае развития биохимии, на том уровне познания, где ДНК находилась в 1950 году“.

Значение, которое биологи придают сахарам, подчёркивается названием, которое они присвоили этой группе соединений, — гликом. Подобно тому, как слово „геном“ применительно к живому организму означает весь набор его генов, а „протеом“ — весь набор его белков, так „гликом“ означает сочетание всех производимых организмом (или отдельной его клеткой) сахаров. При этом гликом одной клетки во много тысяч раз сложнее как генома, так и протеома. Начать хотя бы с того, что базовые строительные „кирпичики“ гликома во много раз многочисленнее и разнообразнее четырёх букв алфавита ДНК и двух десятков аминокислот, образующих белки.

Сложные молекулы сахаров, способствующие „работе“ жизни, строятся из простых сахарных молекул — моносахаридов (к ним относятся глюкоза и порядка десяти других соединений). Два кольца моносахаридов могут, соединившись, образовать дисахариды, другой базовый блок для сложных сахаров. При этом два моносахарида могут соединиться под разными пространственными углами, образуя разные молекулы. Но особенно сложные и разнообразные соединения возникают, когда моносахариды и дисахариды соединяются вместе, образуя полисахариды, которые, в свою очередь, формируют гигантские структуры сложных сахаров. Эти массивные молекулы, которые могут состоять из двухсот и более составляющих единиц, представляют собой не только длинные цепи, но и сложно разветвлённые структуры, декорирующие поверхность клетки, как лес сахарной филиграни. Именно трёхмерная форма этих сахаров является ключом к таким их функциям, как идентификация клетки.

Трудно вообразимая сложность соединений сложных сахаров служит одной из причин, по которым учёные затрудняются в понимании структур и функций сложных сахаров. Например, конфигурация сахара самогликан, состоящего всего из шести базовых единиц, имеет до 12 миллиардов возможных вариантов. При этом исследователи пока даже не представляют, какие из этих возможностей в действительности используются природой. 

И лишь по мере недавних открытий в генетике становится всё более очевидной важная роль сахаров. Хотя сами гены не кодируют сахара, как они кодируют белки, но они кодируют те ферменты, которые организм использует для производства сахаров. Именно изучение этих ферментов открыло учёным глаза на ту жизненно важную роль, которую играют сахара в природе. Кардинальный переворот произошёл в конце 1980-х годов, когда впервые был изолирован ген гликозил-трансферазы, фермента, добавляющего сахара к жирам и белкам (этот процесс называется гликозилацией). В 1994 году группа учёных в лаборатории Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружила, что у мышиного зародыша, у которого был дезактивирован один из таких ферментов, развилось бесформенное сердце, и зародыш умер до рождения. В той же лаборатории нашли, что другая мутация в гликозил-ферменте вызывает у мыши аутоиммунную болезнь, напоминающую волчанку у людей, когда иммунные клетки атакуют многие из собственных тканей.

И это относится не только к мышам. У людей, у которых отсутствует ключевой сахар на белке трансферине, доставляющем железо в клетки, возникает множество проблем, включая запоздалое умственное и физическое развитие, почечную недостаточность и ненормальный вид кожного покрова. Исследователи предполагают, что патология может возникнуть в результате неправильного присоединения сахарных цепей к белкам. Начиная с середины 1990-х годов, тринадцать различных генетических нарушений были определены как врождённые нарушения в гликозилации.

Но ещё более распространённые болезни оказываются связанными с сахарами. Так, все люди с ревматоидным артритом имеют дефект в ферменте, прикрепляющем сахар галактозу к антителу. Отсутствие сахаров в белках на поверхности клетки вызывает некоторые формы мышечной дистрофии. Группа шведских учёных идентифицировала сахарный рецептор, позволяющий бактерии Helicobacter pylory внедряться в слизистую оболочку желудка, вызывая язву и рак.

Исследования последовательности человеческих генов в геноме тоже подтверждают мысль о ключевой роли сахаров. Большое количество наших генов кодирует ферменты, связанные с гликозилацией. На данный момент идентифицированы уже несколько сот таких генов.

Весь этот в корне изменившийся в последнее время подход к сахарам и их роли в функционировании организма убедил Американский национальный институт здоровья выделить 34 миллиона долларов на пять лет Консорциуму функциональных гликомов — интернациональной междисциплинарной группе по изучению биологии сахара в живых клетках. 

Конечно, эта волна интереса к сахарам поддерживается применением новых средств для их изучения. Так, недавно, как сообщили учёные Массачусетского технологического института, объединение методов масс-спектрографии с усовершенствованным компьютерным анализом позволило Сасисекарану и Венкатараману найти фермент, относящийся к антикоагулянту гепарину, который оказался важным регулятором роста клеток. Опыты на мышах продемонстрировали способность этого вещества замедлять рост опухолей и предотвращать распространение рака. Теперь оно проверяется в качестве потенциального лекарственного средства.

Исследование потенциальных возможностей биологической активности сахаров стимулируется новыми химическими способами синтезирования их молекул. До недавнего времени единственным источником таких сахаров были растения или животные ткани, извлечение сахара из которых, учитывая небольшое количество таких молекул, представляет большие трудности. В этом году в том же Массачусетском технологическом институте изобретён автоматизированный синтесайзер, способный построить цепи и ветви сахара из двенадцати основных единиц в сто раз быстрее, чем это было возможно ранее.

Эта возможность уже используется в поисках новой вакцины против малярийного паразита путём подготовки организма к нейтрализации выделяемого паразитом токсина до того, как он разрушит красные кровяные клетки. На малярийном токсине был найден особый сахар. Учёные построили с помощью синтесайзера сахар, почти идентичный этому, в надежде, что он вызовет нужный иммунный ответ. Опыты на мышах уже показали, что после вливания такого сахара до 75 процентов мышей преодолели смертоносное действие токсина, выделяемого паразитом, по сравнению с неполными 9-ю процентами среди неиммунизированной группы. 

Другие исследователи занимаются ролью сахаров у бактерий, вирусов и других патогенов. Так, вирус инфлюэнцы использует фермент, именуемый гликосидаза, чтобы освобождать новорождённые вирусы из сахарного покрытия клетки. Испытанное недавно лекарство успешно сократило приступ болезни путем блокирования этого фермента, что останавливало распространение вирусов от клетки к клетке. 

Исследователи изучают также сахарные соединения, меняющие способность бактерии чувствовать пищу в своём окружении, которая стимулирует её размножение и рост. Задача учёных — найти „обманку“, которая не даст бактерии „учуять“ пищу, и этим не дать ей возможности вызвать болезнь.

Получение структур и последовательностей отдельных сахаров — это лишь половина дела на пути к созданию лекарств на основе сахаров. Ведь в организме сахара существуют в виде сочетаний нескольких различных форм. Так, к одному белку могут быть присоединены десять слегка отличных друг от друга сахаров, и почти невозможно разделить их, используя стандартную технику.

Иначе говоря, каждая клетка в организме может представить на своей поверхности семейство сахаров с родственными, но слегка различными членами. Более того, определённый клеточный гликом может находиться в состоянии постоянных изменений. Клетки могут слегка изменять своё сахарное покрытие, выдвигая на поверхность другие молекулы, в качестве реакции, скажем, на патогены или другие изменения окружающей их среды.

Чтобы понять этот процесс, биологи должны изучить, как клетки производят и модифицируют свои сахара. На данный момент им известно об этом совсем немного. Для сахаров нет такого простого рецепта изготовления, как для, например, белков. Сахара производятся на несколько таинственной линии для сбора ферментов в аппарате Гольджи, особой внутриклеточной фабрике, где к уже синтезированному белку добавляются финальные „сахарные штрихи“. Дабы ещё более усложнить картину, разные виды ферментов используются для производства разных видов сахаров: те, которые добавляют сахара к межклеточным перегородкам, отличны от тех, которые добавляют сахара к белкам, покрывающим клетки.

Эта утончённость работы сахаров может, однако, быть полезной для медицины, позволяя лишь усиливать и ослаблять определенные аспекты в поведении клетки, а не просто включать или выключать её.

В свете ошеломляющего успеха генетики соблазнительно верить, что гликомика будет иметь равно драматический успех в биологии. Возможно, но путь к этому успеху ещё далёк и обещает быть полон ухабов и рытвин. Даже энтузиасты стараются сохранять скептицизм по поводу расшифровки полного гликома клетки или организма. Некоторые даже полагают, что это произойдет не в „нашу каденцию“. Но, как известно, „даже путь в десять тысяч ли начинается с первого шага“.