Любая хорошая наука начинается с хороших аналитических технологий и протеомика не является исключением. В этой быстро развивающейся области основным вызовом является понимание механизма взаимодействия около 300,000 протеинов в человеческом организме. Какова потенциальная выгода установления этих механизмов? Быстрая разработка лекарственных средств и новейших методов излечения болезней, с которыми медицина боролась веками. В настоящее время большая часть работ в протеомике выполняется с использованием 2-D PAGE (двумерного гель-электрофореза на полиакриламиде). Этот метод всегда будет играть большую роль в протеомных исследованиях. Однако, объем работ, которые необходимо выполнить, требует использования методов и приборов с большими производительностями, информативностью и чувствительностью. Большинство ученых мира, работающих в области протеомики сегодня уверены, что методы, комбинирующие высокоэффективную жидкостную хроматографию и тандемную масс-спектрометрию могут обеспечить быстрый прорыв в протеомике. Например, группа аналитиков недавно проанализировала небольшое количество образца клеток Hep-G2 (гепатоплазма человеческой печени) в течение пяти часов с использованием жидкостного хроматографа Surveyor® и масс-спектрометрического детектора с анализатором ионная ловушка LCQ DECA XP. Полученные результаты были подвергнуты сравнению по индексированной базе данных человеческих протеинов с использованием программного пакета TurboSEQUEST®. В общей сложности были идентифицированы 95 протеинов. В противоположность этому другая группа исследователей, использовавшая более традиционные методы 2-D гель-электрофореза идентифицировали 25 секреторных протеинов из такого же образца, потратив на это значительно больше времени.

Введение в протеомику

Однако, многие до сих пор спрашивают - что такое протеомика? Просто говоря, протеомика - это изучение белков и их взаимодействия в живых организмах, в том числе в человеческом. Ученые в области протеомики исследуют "производство" протеинов (белков), их декомпозицию и замену белков внутри тела. Они также изучают как протеины модифицируются после их генерации в организме.

Часто можно прослеживать связь между изменениями протеинов и их взаимодействием и болезненными состояниями. Таким образом, протеомика может значительно ускорять разработку лекарственных средств и гораздо быстрее вложить в руки пациента новое эффективное лекарство. Сегодня более 95 процентов всех фармакологических средств на рынке нацелены на воздействие на протеины. Протеомика может помочь идентифицировать и оценить новые целевые протеины гораздо эффективнее и с систематизированным подходом, что, в свою очередь, может ускорить разработку новых диагностик и терапевтических средств.

Протеины известны около 200 лет. В начале XIX столетия химики выбрали имя "протеины" для этих веществ от греческого слова "proteios", означающего "удерживающий первое место". В русском языке эти вещества называются "белками", что вероятно связано с цветом одного из самых распространенных белков - альбумина, когда он сворачивается по действием высокой температуры. Важность протеомики можно представить себе по одному примеру ее раннего развития. В начале XX века исследователи обнаружили альтернативные формы инсулина и, таким образом, спасли и продлили миллионы жизней людей, страдающих диабетом.

Несмотря на особую важность исследования этих веществ большая часть работ в биологии во второй половине XX века была сосредоточена на исследованиях генов и ДНК (деоксирибонуклеиновой кислоты). Эти работы базировались на основополагающем открытии, сделаном James Watson, Francis Crick и Maurice Wilkins, которые получили в 1962 году Нобелевскую премию за объяснение двойной спиральной структуры ДНК.

Генные исследования и протеомика комплиментарны в том смысле, что гены, составленные из ДНК, определяют производство специфических протеинов. Однако, как писал в 1998 году исследователь Norman G. Anderson "ДНК - это, на самом деле, не нижняя точка: любой современный учебник биологии объясняет, что протеины определяют активную жизнь клетки, в то время как нуклеиновые кислоты представляют собой только план этой активности". Другими словами, биология в действительности реализуется на уровне протеинов.

Наиболее значимый и разрекламированный прорыв последних лет это картирование генома человека, в результате чего создается атлас, включающий от 30,000 до 40,000 генов, определяющих составляющие человеческого тела. По сравнению с этим вызов, стоящий перед протеомикой, значительно серьезнее. По некоторым оценкам число протеинов в человеческом теле около 300,000 или больше - в 10 раз больше, чем количество генов в человеческом теле. Эти протеины, конечно, могут взаимодействовать друг с другом и число таких взаимодействий не поддается подсчету.

В то время как определение последовательностей генома человека является основой полномасштабного исследования протеинов, необходимо помнить, что исследования протеинов были предметом инетреса ученых в течение длительного времени. Исследователи, работающее в протеомике, просто смеются над утверждениями о том, что эта область науки только сейчас появилась. На самом деле, в начале 1980 годов Anderson возглавлял специальную группу индексирования протеинов человека, которая пыталась проводить систематические исследования протеома человека и развивать аналитические методы, необходимые для этих исследований. Эти попытки натолкнулись на отсутсвие политической поддержки и финансирования, в равной степени как и ограничений со стороны технологического уровня. Сегодня, исследования протеинов оказались в центре внимания по двум причинам. Во-первых, геном расшифрован и ускорение протеомных исследований является следующим логическим шагом. Во-вторых, технология проведения протеомных исследования быстро развивается.

Букварь протеинов

Протеины служат для выполнения огромного числа функций в организме. Эти протеины включают:

Протеины производятся или "выражаются" рибонуклеиновой кислотой (RNA или РНК), которая определяется ДНК в генах. Каждый протеин - это цепочка аминокислот. В человеческом теле используются только 20 аминокислот для производства протеинов, но эти аминокислоты выстраиваются в цепочки бесчисленным количеством способов. Порядок или последовательность. аминокислот играет огромную роль а определении функции конкретного белка в организме. Другим определяющим фактором является структура протеина.

Порядок, в котором выстраиваются аминокислоты, диктуется определенными фрагментами ДНК, называемыми нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит сахарную группу, фосфатную группу и одно из четырех соединений, называемых базовыми. Эти четыре базы - аденин, тимин, цитозин и гуанин. Прядь спирали ДНК в действительности состоит из цепочки нуклеотидов. Три нуклеотида в ряд образуют кодон и порядок базовых веществ в кодоне диктует какая из 20 аминокислот будет производиться. Например, если три базовых вещества стоят в следющем порядке - тимин, цитозин, аденин - будет производиться серин. Однако, если базы стоят в следующем порядке - аденин, цитозин, тимин - будет производиться треонин. Таким образом цепочка ДНК производит многочисленные аминокислоты, которые, затем, связываются друг с другом для формирования протеинов.

Проблемы с протеинами

Практически все болезни могут быть прослежены до изменений, происходящих на протеиновом уровне. Например:

Генетические мутации на уровне ДНК могут вызвать неправильное производство протеинов. К примеру, это происходит при серповидной клеточной анемии. Протеин гемоглобин вызывает превращение красных кровяных телец в ненормальную серповидную форму поскольку одно из базовых веществ в кодоне неправильно заменено другим. Формирование одной неправильной аминокислоты вызывает ненормальность в гемоглобине, клетки которого принимают серповидную форму.

Часто протеины требуют модификации после трансляции (т.е. после создания по плану ДНК) для того, чтобы способствовать выполнению ими определенных функций в организме. Например, протеины, которые вызывают образование кровяных тромбов остаются неактивными до тех пор, пока не претерпевают соотвествующих изменений. Следовательно, неправильная послетрансляционная модификация является второй причиной неправильного функционирования протеинов.

Еще одна причина проблем с протеинами - это полиморфизм. Это небольшие вариации ДНК, которые делают индивидуальных живых особей отличными друг от друга. Этот же полиморфизм также делает некторые особи более склонными к определенным болезням и эта склонность неизбежно прослеживается до ненормальности генерации и взаимодействия протеинов.