Задачи протеомных технологий
Протеомика – это медико-биологическая наука, занимающаяся изучением совокупности всех белков клетки (органа, ткани, организма), их взаимодействия между собой и реакций на изменяющиеся условия внешней или внутренней среды.
Технологии протеомики в конце 20 века позволили достичь большого прогресса в научных исследованиях различных отраслей биологии и медицины, результаты которых затем стали успешно применяться в медицинской практике.
На современном этапе для крупномасштабных исследований белков обычно применяются протеомные технологии, основанные на масс-спектрометрии, и метод двумерного электрофореза.
Двумерный электрофорез является методом наиболее распространенным, имеющим высокое разрешение, позволяющим параллельно отделять белки от различных смесей. Также этот метод сопровождается выборкой и окрашиванием дифференцированных белков, определяемых масс-спектрометрией. Несмотря на широкое применение у этой технологии есть и свои недостатки, например, неспособность отделить все белки образца ввиду их различий в уровне экспрессии, результатом чего становится отличие их свойств.
Главные задачи протеомных технологий:
- Изучение всех белков, содержащихся в исследуемом образце (их количественные характеристики и качественное определение (структуры)). Некоторые технологии могут определить только количественную составляющую.
- Проведение аналитического фракционирования полипептидных цепей по двум независимым друг от друга физико-химическим свойствам, которые отражают особенности их первичной структуры.
- Выявление различных белковых фракций путем их разделения (используются высокочувствительные методы детекции белков – некоторые модификации масс-спектрометрии).
- Систематизация полученных данных путем стандартизированного описания белков.
Значение технологий протеомики для практической медицины
Практическое значение протеомики для медицины:
- Первое применение протеомных исследований на практике состоялось еще до появления самого термина и понятия «протеомика». Это было создание первых препаратов инсулина в начале XX в., которые спасли жизнь миллионам людей.
- Так как имеется зависимость болезненного состояния человека от изменений в белковом составе (гормонов, ферментов и др.) организма, данные протеомики позволяют разрабатывать новые лекарственные средства и новейшие методы лечения заболеваний. 95% всех известных на сегодняшний день фармакологических средств оказывают свои терапевтические эффекты за счет воздействия на белковые структуры организма, а исследования в области протеомики позволяют определить наиболее предпочтительные для них молекулярные мишени.
- В частности, поиску новых белков-мишеней помогает составление протеомных карт тех или иных тканей в норме и при различных патологических состояниях. Эти различия позволяют установить, какие именно белки играют роль в развитии исследуемого заболевания, и, соответственно, определить их как мишени для терапевтического/профилактического воздействия, а также использовать полученные знания в диагностических целях.
- Протеомика позволяет идентифицировать новые белки и оценить роль их появления, что ускоряет разработку и внедрение новых терапевтических средств и диагностических тестов. Так, методики протеомики в настоящее время используются для диагностики гепатитов и злокачественных новообразований. При онкологических заболеваниях определение белков-маркеров также имеет прогностическое значение и служит для оценки эффективности лечения.
- Широкое применение методы протеомики нашли, в частности, в поиске и разработке противомалярийных препаратов, механизм действия которых основан на связывании действующего вещества с пурин-связывающими белками на двух этапах развития болезни (размножения возбудителя в эритроцитах и выхода их в кровь).
- Сравнение протеомных карт нормальных и опухолевых клеток, а также сравнение состояния клеток перед воздействием каких-либо факторов (химических, включая, лекарства, физических и др.) и после них, позволяет определить наиболее эффективные и в то же время безопасные для неизмененных клеток методы терапии.
- Таким образом, протеомные исследования позволяют подтвердить/опровергнуть валидность мишеней для разрабатываемых препаратов, изучить механизм действия лекарственного вещества и его токсичность, определить точность биомаркеров.
- На основе данных протеомики создаются протеомные карты амниотической жидкости и сыворотки крови, использующиеся для диагностики некоторых патологий беременности.
- Методы протеомики широко используются при создании новых вакцин (для определения антигенов, выработка антител к которым обеспечивала бы эффективность вакцины).
- Протеомные исследования позволяют определять род и виды патогенных и других микроорганизмов. Для этого интактные бактериальные клетки помещают на металлическую мишень специального аппарата (масс-спектрометра), затем покрывают матрицей и воздействуют на них лазерным излучением, в результате чего получаются специфичные профили, которые по характерным массам идентифицирует обученный алгоритм.
- Путем сравнения протеомного состава двух организмов (необязательно состоящих в близкородственных связях) можно выявить белки, являющиеся общими для них, и белки, наличием которых объясняются различия их фенотипов. Такая информация является полезной для понимания процесса эволюции, а в некоторых случаях она также позволяет определить неизвестные ранее функции белков. Так, с помощью сравнительной протеомики были определены белки в организме насекомых Nilaparvata lugens, которые участвуют в процессах, связанных с размножением, и экспрессия которых изменяется после обработки инсектицидами.
Множество идей применения протеомики в медицинской сфере находится только на стадии разработки. Например, предлагается ведение протеомных карт биологических жидкостей, в первую очередь крови. При наличии изменений белков крови в динамике можно будет заподозрить и выявить заболевание и своевременно начать лечение.
