|
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:
Энзимные протеины, которые служат катализаторами таких функций как пищеварение
Транспортные протеины, такие как гемоглобин, который переносит кислород из легких к другим частям тела
Структурные протеины, такие как колаген и эластин, которые обеспечивают фиброзную основу соединительных
тканей в животных
Хранилищные протеины, такие как казеин, который является главным источником аминокислот для
организмов детенышей млекопитающихся
Гормональные протеины, такие как инсулин, который помогает регулировать концентрацию сахара в крови
Рецепторные протеины, которые встраиваются в мембраны нервных клеток и детектируют химические сигналы
передаваемые другими нервными клетками
Сократимые протеины, такие как миозин, который играет большую роль в жвижении мышц
Защитные протеины, которые защищают организм от болезней
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.
Протеомика открывает прекрасную возможность систематического изучения процессов генерации и взаимодействия протеинов.
|
