17.5: Геноміка та протеоміка

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1847

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Поясніть системну біологію
Опишіть протеом
Визначте підпис білка

Білки є кінцевими продуктами генів, які допомагають виконувати функцію, закодовану геном. Білки складаються з амінокислот і відіграють важливу роль в клітині. Всі ферменти (крім рибозимів) - це білки, які діють як каталізатори для впливу на швидкість реакцій. Білки також є регуляторними молекулами, а деякі - гормонами. Транспортні білки, такі як гемоглобін, допомагають транспортувати кисень до різних органів. Антитіла, які захищають від сторонніх частинок, також є білками. У хворому стані функція білка може порушуватися через зміни на генетичному рівні або через безпосереднього впливу на конкретний білок.

Протеом - це весь набір білків, що виробляються клітинним типом. Протеоми можна вивчати, використовуючи знання геномів, оскільки гени кодують мРНК, а мРНК кодують білки. Хоча аналіз мРНК є кроком у правильному напрямку, не всі мРНК переводяться на білки. Вивчення функції протеом називається протеомікой. Протеоміка доповнює геноміку і корисна, коли вчені хочуть перевірити свої гіпотези, які базувалися на генах. Незважаючи на те, що всі клітини багатоклітинного організму мають однаковий набір генів, набір білків, що виробляються в різних тканині, різний і залежить від експресії генів. Таким чином, геном постійний, але протеом змінюється і динамічний всередині організму. Крім того, РНК можна поперемінно зрощувати (вирізати та наклеювати для створення нових комбінацій та нових білків), і багато білків модифікуються після перекладу такими процесами, як протеолітичне розщеплення, фосфорилювання, глікозилювання та всюдиквітінування. Існують також білково-білкові взаємодії, які ускладнюють вивчення протеом. Хоча геном забезпечує план, остаточна архітектура залежить від декількох факторів, які можуть змінити прогресування подій, що породжують протеом.

Метаболоміка пов'язана з геномікою та протеомікою. Метаболоміка передбачає вивчення метаболітів малих молекул, виявлених в організмі. Метаболом - це повний набір метаболітів, які пов'язані з генетичним складом організму. Метаболоміка дає можливість порівняти генетичний склад і фізичні характеристики, а також генетичний склад і фактори навколишнього середовища. Метою дослідження метаболому є виявлення, кількісна оцінка та каталогізація всіх метаболітів, які містяться в тканині та рідині живих організмів.

Основні методи в аналізі білка

Кінцевою метою протеоміки є виявлення або порівняння білків, експресованих з даного генома за певних умов, вивчення взаємодії між білками та використання інформації для прогнозування поведінки клітин або розробки лікарських цілей. Подібно до того, як геном аналізується за допомогою основної методики секвенування ДНК, протеоміка вимагає методів аналізу білка. Основною методикою аналізу білка, аналогом секвенування ДНК, є мас-спектрометрія. Мас-спектрометрія використовується для ідентифікації та визначення характеристик молекули. Досягнення в спектрометрії дозволили дослідникам аналізувати дуже малі зразки білка. Рентгенівська кристалографія, наприклад, дозволяє вченим визначати тривимірну структуру кристала білка при атомному дозволі. Інша техніка візуалізації білка, ядерний магнітний резонанс (ЯМР), використовує магнітні властивості атомів для визначення тривимірної структури білків у водному розчині. Білкові мікромасиви також використовувалися для вивчення взаємодії між білками. Масштабні адаптації базового двогібридного екрану (рис.\(\PageIndex{1}\)) забезпечили основу для білкових мікромасивів. Комп'ютерне програмне забезпечення використовується для аналізу величезної кількості даних, що генеруються для протеомного аналізу.

Геномно-і протеомні масштаби аналізу є частиною системної біології. Системна біологія - це вивчення цілих біологічних систем (геномів і протеом) на основі взаємодій всередині системи. Європейський інститут біоінформатики та організація протеоми людини (HUPO) розробляють та встановлюють ефективні інструменти для сортування величезної купи даних біології систем. Оскільки білки є прямими продуктами генів і відображають активність на геномному рівні, природно використовувати протеоми для порівняння білкових профілів різних клітин для ідентифікації білків та генів, що беруть участь у процесах хвороби. Більшість випробувань фармацевтичних препаратів націлені на білки. Інформація, отримана з протеоміки, використовується для виявлення нових препаратів та розуміння механізмів їх дії.

При двогібридному скринінгу зв'язуючий домен транскрипційного фактора відокремлюється від домену-активатора. Білок приманки прикріплюється до ДНК-зв'язуючого домену транскрипційного фактора, а до домену-активатора приєднується білок видобутку. Якщо видобуток ловить приманку (іншими словами, зв'язується з нею), відбувається транскрипція репортерного гена. Якщо видобуток не зловить на приманку, транскрипції не відбувається. Вчені використовують цю транскрипційну активацію, щоб визначити, чи відбулося взаємодія між приманкою і здобиччю. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Двогібридний скринінг використовується для визначення того, чи взаємодіють два білки. У цьому методі фактор транскрипції розбивається на домен, що зв'язує ДНК (BD) і домен активатора (AD). Прив'язка домену здатна прив'язати промоутера при відсутності домену-активатора, але при цьому не включається транскрипція. Білок, званий приманкою, прикріплюється до БД, а білок, званий здобиччю, прикріплюється до АТ. Транскрипція відбувається тільки в тому випадку, якщо видобуток «ловить» приманку.

Проблемою методів, що використовуються для протеомних аналізів, є складність виявлення невеликих кількостей білків. Хоча мас-спектрометрія хороша для виявлення невеликих кількостей білків, варіації експресії білка в хворих станах може бути важко розрізнити. Білки - це природно нестабільні молекули, що робить протеомний аналіз набагато складніше геномного аналізу.

Протеоміка раку

Для розуміння генетичної основи захворювання вивчаються геноми і протеоми пацієнтів, які страждають специфічними захворюваннями. Найвідомішим захворюванням, яке вивчається за допомогою протеомних підходів, є рак. Протеомні підходи використовуються для поліпшення скринінгу та раннього виявлення раку; це досягається шляхом виявлення білків, на експресію яких впливає процес захворювання. Окремий білок називається біомаркером, тоді як набір білків зі зміненими рівнями експресії називається білковим підписом. Щоб біомаркер або білковий підпис був корисним як кандидат на ранній скринінг та виявлення раку, він повинен виділятися в рідинях організму, таких як піт, кров або сеча, таким чином, щоб великомасштабні скринінги можна було проводити неінвазивним способом. Актуальною проблемою використання біомаркерів для раннього виявлення раку є висока швидкість хибно-негативних результатів. Помилковий негатив - це неправильний результат тесту, який повинен був бути позитивним. Іншими словами, багато випадків раку залишаються непоміченими, що робить біомаркери ненадійними. Деякі приклади білкових біомаркерів, що використовуються при виявленні раку, - це СА-125 для раку яєчників та PSA для раку передміхурової залози. Білкові сигнатури можуть бути більш надійними, ніж біомаркери для виявлення ракових клітин. Протеоміка також використовується для розробки індивідуальних планів лікування, що передбачає прогнозування того, чи реагуватиме людина на конкретні препарати та побічні ефекти, які може виникнути у людини. Протеоміка також використовується для прогнозування можливості рецидиву захворювання.

Національний інститут раку розробив програми щодо вдосконалення виявлення та лікування онкологічних захворювань. Клінічні протеомічні технології для раку та науково-дослідна мережа раннього виявлення - це зусилля, спрямовані на виявлення білкових сигнатур, специфічних для різних видів раку. Програма біомедичної протеоміки призначена для виявлення білкових сигнатур та розробки ефективних методів терапії для онкологічних хворих.

Резюме

Протеоміка - це дослідження всього набору білків, експресованих заданим типом клітини при певних умовах навколишнього середовища. У багатоклітинному організмі різні типи клітин матимуть різні протеоми, і вони будуть змінюватися залежно від змін навколишнього середовища. На відміну від генома, протеом динамічний і в постійному потоці, що робить його і більш складним, і кориснішим, ніж знання геномів поодинці.

Підходи до протеоміки спираються на аналіз білка; ці методи постійно вдосконалюються. Протеоміка була використана для вивчення різних видів раку. Для аналізу кожного типу раку використовуються різні біомаркери та сигнатури білка. Майбутня мета - мати персоналізований план лікування для кожної людини.

Глосарій

біомаркер: індивідуальний білок, який однозначно виробляється в хворому стані

помилково негативний: неправильний результат тесту, який повинен був бути позитивним

метаболом: повний набір метаболітів, які пов'язані з генетичним складом організму

метаболоміка: вивчення метаболітів малих молекул, виявлених в організмі

білковий підпис: набір однозначно виражених білків в хворому стані

протеом: весь набір білків, що виробляються за типом клітин

протеоміки: дослідження функції протеом

системна біологія: вивчення цілих біологічних систем (геномів і протеомів) на основі взаємодій всередині системи