Основы биоинформатики - Огурцов А.Н. 2013
Основания биоинформатики
Геномы и протеомы
Биоинформатика в медицине
Изучение последовательности человеческого генома, равно как и геномов других организмов, может помочь в улучшении здоровья человечества. Несмотря на некоторые энергичные возражения, как правило, исходящие от некомпетентных либо заинтересованных в блокировании таких работ людей, имеются следующие медицинские приложения.
Диагностика болезни и риска заболевания. Получение и изучение последовательности ДНК может обнаружить отсутствие конкретного гена или мутацию. Идентификация специфических последовательностей гена, связанного с болезнями, позволит осуществить быструю и надёжную диагностику в следующих случаях:
а) когда пациент ощущает симптомы;
б) для внутриутробной диагностики потенциальных аномалий таких, как, например, кистозный фиброз;
в) для генетической консультации супружеских пар, собирающихся завести детей;
г) заранее предупредить появления симптомов, как в тестах на наследуемые поздно-приобретаемые заболевания, такие как болезнь Хантингтона.
Болезнь Хантингтона (Huntington's disease) является наследственным нейродегенеративным расстройством, которым, например, в США болеют приблизительно 30 000 человек. Симптомы болезни очень серьёзные, включают неконтролируемые, наподобие танца, перемещения, умственные расстройства, изменения личности и снижение интеллекта. Смерть обычно наступает в течение 10-15 лет после начала симптомов. Повреждённый ген появился в Новой Англии во время колониального периода в XVII в. Болезнь Хантингтона возможно была причиной некоторых обвинений в колдовстве. Ген не утратился у населения, поскольку болезнь проявляется в возрасте 30-50 лет, что значительно позже начала репродуктивного периода.
Прежде члены семей, затронутых болезнью Хантингтона, в молодом возрасте боялись иметь детей, они не знали, унаследовали ли эту болезнь. Открытие в 1993 г. гена, мутация в котором приводит к болезни Хантингтона, сделало возможным идентифицировать носителей заболевания. Ген содержит многократные повторы тринуклеотида сад, кодирующие полиглутаминовые блоки (poly-Q) в соответствующем белке. Болезнь Хантингтона - это одно из семейных нейродегенеративных расстройств, при которых наблюдаются тринуклеотидные повторы.
Чем больше блок cag-повторов, тем ранее начнётся заболевание, и тем более серьёзными будут симптомы. Нормальный ген содержит 11-28 повторов сад. Люди с 29-34 повторами почти никогда не заболевают, а у тех, у кого повторов 35-41, могут проявляться только сравнительно мягкие симптомы. Люди, у которых тринуклеотидные повторы встречаются более 41 раза, почти всегда страдают от болезни Хантингтона в полной мере.
Наследственность обладает феноменом, названным ожиданием: повторы становятся длиннее в последующих поколениях, прогрессивно увеличивая тяжесть болезни и уменьшая возраст появления симптомов. По некоторым причинам этот эффект преобладает больше в отцовских генах, чем в материнских. Следовательно, люди в предельной группе, обладающие геном с 29-41 повторами, должны думать о риске для своих потомков.
Во многих случаях наши гены не бесповоротно приговаривают нас к заболеванию, а оставляют возможность, которой мы можем воспользоваться. Примером фактора риска обнаруживаемого на генетическом уровне, является а1-антитрипсин - белок, который нормально функционирует для ингибирования эластазы в альвеолах лёгкого. Люди гомозиготные по Z-мутанту а1-антитрипсина (342Glu→Lys) экспрессируют только нефункциональный белок. Они находятся в группе риска возникновения эмфиземы, из-за повреждений в лёгких, вызванных неконтролируемым ингибированием эластазы, а также болезни печени из-за накопления полимерной формы а1-антитрипсина в гепатоцитах. Курение у таких людей вызывает развитие эмфиземы почти наверняка. В этих случаях болезнь появляется при сочетании генетических факторов с факторами влияния окружающей среды.
Часто отношение между генотипом и риском заболевания более сложное. Некоторые болезни, такие как астма, зависят от взаимодействия многих генов, а также от факторов влияния окружающей среды.
В других случаях, ген может присутствовать и быть исправным, но мутация где-нибудь ещё, например, в регуляторной области, может изменить уровень экспрессии или распределения по тканям. Такие аномалии могут быть обнаружены измерением белковой активности. Поэтому анализ белковой экспрессии является важным путём к поиску пути лечения.
Генетика реакции на терапию - индивидуально-специфическое лечение. Поскольку разные люди отличаются по особенностям метаболизма одного и того же лекарственного препарата, то разным пациентам в одинаковых условиях могут потребоваться разные дозировки. Анализ последовательности генома данного пациента позволяет индивидуально выбирать лекарства и дозировки, оптимальные для него.
Эту быстро развивающуюся область называют фармакогеномика (pharmacogenomics) (см также п. 15.1). Врачи теперь смогут избежать риска при назначении терапии для процедур, которые опасны с точки зрения побочных эффектов, часто даже фатальных, и в любом случае дорогих. Сегодня на лечение пациентов от неблагоприятных реакций на предписанные лекарства (побочные действия лекарств) в здравоохранении расходуются миллиарды долларов.
Например, лекарство 6-меркаптопурин является очень токсичным, хотя используется при лечении лейкемии у детей. Небольшая группа пациентов, у которых высока вероятность летального исхода из-за отсутствия фермента тиопуринметилтрансферазы, нуждается во время терапии во введении в организм дополнительных лекарственных препаратов. В результате тестирования на этот фермент пациенты были отнесены к повышенной группе риска.
С другой стороны, теперь появилась возможность использовать такие лекарственные препараты, которые безопасны и эффективны для пациентов из повышенной группы риска, хотя ранее эти препараты были отвергнуты до или во время клинических испытаний из-за медленного действия и тяжёлых побочных явлений у некоторых пациентов.
Идентификация мишеней для лекарственных веществ. Мишень (drug target) - это, как правило, белок, функциональностью которого можно управлять с помощью лекарственного препарата, для того, чтобы подавить симптомы или скрытые причины болезни (см. п. 15.3).
Точное определение мишени позволит планировать действия при разработке лекарственного препарата. Среди ныне используемых лекарственных препаратов половина действует на рецепторы, около четверти - на ферменты и около четверти - на гормоны. И только приблизительно 7% оказывает влияние на неизвестные мишени.
Растущая устойчивость бактерий к антибиотикам привела к кризису в предупреждении инфекционных заболеваний. Скорее всего, наши потомки будут вспоминать вторую половину XX века, как тот небольшой отрезок времени, когда ещё можно было контролировать бактериальные инфекции, чего не удавалось ни до, ни после.
Опираясь на анализ геномов, можно модифицировать существующие препараты и снизить остроту необходимости поиска новых лекарств.
Анализ генома может пригодиться при поиске мишеней для лекарственных препаратов. Дифференциальная геномика и сравнение профилей экспрессии белков у чувствительных и устойчивых к лекарственным препаратам линий патогенных бактерий может указать на те белки, которые отвечают за сопротивляемость микроорганизмов.
Изучение вариаций генома у опухолевых и нормальных клеток, как ожидается, может помочь в идентификации участков, обладающих разной степенью экспрессии, и тем самым выявить те белки, которые могут быть потенциальными мишенями для противораковых веществ.
Г енная терапия. Если ген пропущен или имеет дефект, то было бы желательно заменить его нормальным геном или хотя бы повысить уровень его экспрессии - увеличивать концентрацию его продукта. И наоборот, если ген гиперактивен, бы желательно уметь выключать его.
Простое введение белков помогает при многих заболеваниях, из которых, наверное, наиболее известными примерами являются введение инсулина больным сахарным диабетом и введение фактора VIII (антигемофильного глобулина) при общей форме гемофилии.
Пересадка генов была успешно проделана в опытах над животными: человеческие белки продуцировались в молоке коров и овец. У пациентов, страдающих кистозным фиброзом, генная заместительная терапия с использованием аденовируса дала обнадёживающие результаты.
Способ блокирования генов называется антисмысловая терапия. Идея заключается во введении ДНК или РНК, которые особым образом связываются с определённым участком гена. Присоединение к эндогенной ДНК может препятствовать транскрипции; присоединение к мРНК может препятствовать трансляции. У антисмысловой терапии есть определённые успехи в лечении таких заболеваний, как, например, цитомегаловирусный колит и болезнь Крона.
Антисмысловая терапия также весьма привлекательна тем, что может оказывать непосредственное действие на синтез мишени и позволяет быстро пройти стадии разработки лекарственного препарата.
Контрольные вопросы и задания
1. В каких случаях проводится секвенирование биологических последовательностей?
2. Чем занимается структурная, функциональная и сравнительная геномика?
3. В чём заключается метод дробовика?
4. Какие четыре типа ДНК-маркеров используются при составлении карты генома человека?
5. Чем занимается структурная и функциональная протеомика?
6. Каковы три основные стадии исследования протеома?
7. Что такое четвертичная структура белка и каковы её функции?
8. Какую информацию получают при моделировании белка по гомологии?
9. Что такое генная, заместительная и антисмысловая терапии?