Методы геномики, транскриптомики, протеомики

Геномика как самостоятельная научная дисциплина получила мощный импульс развития благодаря международному проекту «Геном человека», стартовавшему в конце XX века. Целью этого проекта было определение полной последовательности нуклеотидов во всех молекулах ДНК человека, а также установление положения всех генов в хромосомах^[1]. В реализации проекта участвовали несколько тысяч учёных разных специальностей — биологов, химиков, физиков, математиков и программистов^[1].

В ходе осуществления проекта создавались три типа карт хромосом. Генетические карты показывают взаимное расположение генов и расстояния между ними, выраженные в процентах кроссинговера, или сантиморганидах. Эти карты строятся на основе анализа частот рекомбинации между генами: чем дальше гены расположены друг от друга в хромосоме, тем чаще между ними происходит кроссинговер. Цитологические карты отражают расположение отдельных генов или других структурных участков на дифференциально окрашенных хромосомах; их получают методом гибридизации ДНК-зондов с метафазными хромосомами. Физические карты показывают расположение фрагментов ДНК по длине хромосомы, а расстояния между фрагментами определяют в парах нуклеотидов. Секвенсовые карты представляют собой полную запись последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК^[1].

Одним из самых неожиданных результатов проекта стало обнаружение того, что у человека не 150 тысяч генов, как предполагалось в начале работ, а примерно в 6 раз меньше — около 20-21 тысяч белок-кодирующих генов. Кроме того, были открыты несколько сотен генов, кодирующих не белки, а регуляторные РНК, которые участвуют в тонкой настройке работы генома. Было также показано, что разные ткани и органы характеризуются различными профилями экспрессии генов: наибольшее разнообразие экспрессируемых генов наблюдается в тканях головного мозга, тогда как специализированные клетки, такие как эритроциты, используют значительно более ограниченный набор генов, необходимый для выполнения своих функций.

Транскриптомика изучает совокупность всех молекул матричной РНК, синтезируемых в клетке, ткани или организме в определённый момент времени. Эта наука позволяет понять, какие гены активны в норме и как меняется их активность при различных заболеваниях или под влиянием внешних факторов^[2].

Одними из основных методов современной транскриптомики являются ДНК-микрочипы (экспрессионные микрочипы) и РНК-секвенирование (RNA-seq). Микрочипы позволяют одновременно оценивать уровень экспрессии тысяч известных генов, тогда как технология RNA-seq, основанная на высокопроизводительном секвенировании, обеспечивает более полную характеристику транскриптома, позволяет выявлять ранее неизвестные транскрипты, альтернативные варианты сплайсинга и количественно оценивать уровень экспрессии генов. Эти методы широко применяются при изучении механизмов развития заболеваний, поиске биомаркеров различных патологических состояний и исследовании клеточной дифференцировки^[3].

Активность генов в ходе индивидуального развития меняется закономерным образом. Установлено, что во время первых делений в процессе дробления зиготы геном зародыша практически неактивен — все процессы обеспечиваются материнскими молекулами РНК и белками, запасёнными в яйцеклетке ещё до оплодотворения. Затем постепенно активируются гены «домашнего хозяйства», обеспечивающие основные метаболические процессы: синтез АТФ, репликацию ДНК, транскрипцию и трансляцию. И лишь позднее, по мере дифференцировки клеток, включаются гены, ответственные за тканеспецифичные функции, то есть синтез белков, характерных только для данного типа клеток^[2].

В ходе эмбриогенеза разных организмов транскрипция активируется через разное время после начала дробления. Например, у лягушки этот период оценивается примерно в десять клеточных делений, а у мыши — всего в два деления. Такие различия связаны с разным количеством запасённых материнских РНК и белков в яйцеклетках разных видов^[2].

Протеомика занимается изучением полного набора белков, синтезируемых клеткой или организмом в определённых условиях. Специализация клеток на биохимическом уровне выражается в синтезе специфических белков, свойственных только данному типу клеток. Например, в клетках эпителия кожи синтезируется кератин, в эритроцитах — гемоглобин, в мышечных клетках — актин и миозин^[4].

Биохимическая специализация клеток обеспечивается дифференциальной активностью генов, то есть в клетках разных зародышевых листков начинают функционировать разные группы генов. Из эктодермы образуются нервная система, эпителий кожи, эмаль зубов; из энтодермы — эпителий средней кишки, пищеварительные железы, эпителий жабр и лёгких; из мезодермы — мышечная и соединительная ткани, кровеносная система, почки, половые железы^[4].

Методы протеомики позволяют одновременно анализировать тысячи белков, выявлять их пространственную структуру, посттрансляционные модификации (фосфорилирование, гликозилирование, ацетилирование) и взаимодействия с другими молекулами. Для этого используются масс-спектрометрия, двумерный электрофорез, хроматография и другие высокочувствительные методы. В совокупности с данными транскриптомики и геномики протеомный анализ даёт целостное представление о физиологических процессах в живых организмах^[2].

Помимо масс-спектрометрии, в протеомных исследованиях широко применяются методы двумерного гель-электрофореза, жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии. Их совместное использование позволяет разделять сложные смеси белков, определять их аминокислотную последовательность, выявлять посттрансляционные модификации и количественно оценивать изменения белкового состава клеток и тканей. Современные протеомные технологии используются как в фундаментальных исследованиях, так и при поиске диагностических и прогностических биомаркеров различных заболеваний^[5].

Эти три науки не существуют изолированно. Геномика отвечает на вопрос, какие гены есть у организма. Транскриптомика — какие из этих генов в данный момент работают (транскрибируются). Протеомика — какие белки и в каком количестве реально синтезируются в клетке. Важно понимать, что уровень мРНК не всегда прямо коррелирует с количеством белка, поскольку существуют посттранскрипционные (сплайсинг, редактирование РНК) и посттрансляционные (протеолиз, модификации) механизмы регуляции^[2].

Комплексный подход, объединяющий данные всех трёх «омиксных» технологий, получил название системной биологии. Он позволяет не просто описывать отдельные молекулы, а моделировать работу клетки как целостной системы. Это особенно важно для понимания механизмов развития заболеваний и поиска новых мишеней для лекарственных препаратов^[2].