Задачи протеомики и ее значение для научных исследований
Протеомика – это раздел молекулярной биологии, занимающийся идентификацией и количественным анализом белков, или высокопроизводительным исследованием белков.
Термин «протеомика» используется с 1997 года и происходит от слова «протеом», обозначающего совокупность всех белковых структур и элементов клетки.
Объект изучения протеомики - это и есть протеом, то есть все белки, экспрессирующиеся в конкретной клетке, ткани или целом организме в определенный момент времени.
Задачи протеомики:
- Идентификация новых белков и их количественный анализ. Эта задача осложняется постоянным изменением совокупности всех белков организма, ткани или клетки в течение жизни/жизненного цикла. Даже разные типы клеток одного организма имеют различные протеомы. Кроме того, существуют и другие обстоятельства, усложняющие изучение протеома, например, явление посттрансляционных модификаций, которым подвержены многие белки. Для детального изучения посттрансляционных модификаций в протеомике даже выделяются отдельные разделы (гликопротеомика и фосфопротеомика).
- Формирование на основе полученных данных более глубокого и широкого понимания причин и механизмов развития различных заболеваний, к примеру, нейродегенеративных.
- Разработка новых методов лечения различных заболеваний.
- Поиск антигенов, которые могут использоваться в целях создания новых вакцин.
- Идентификация аномально экспрессирующихся белков при различных онкологических заболеваниях. Это позволяет своевременно диагностировать болезнь с помощью биомаркеров, а также выбрать рациональный метод лечения и спрогнозировать исход.
Открытие протеомики как науки позволило сделать огромный шаг в биологических и медицинских исследованиях различных направлений.
Значение протеомики для научных исследований:
- Благодаря последним достижениям протеомики стал возможным более глубокий анализ клеточных систем, подразумевающий изучение и описание их реагирования в ответ на различные воздействия (действия факторов внешней среды, изменения физиологии клетки в связи со сменой фаз клеточного цикла и многое другое) на уровне изменений белкового состава. Это позволяют намного глубже изучить суть множества биологических процессов, изучением которых занимается современная клиническая биохимия.
- Полученные биохимические данные позволяют сформировать и детализировать представления о различных болезнях на молекулярном уровне, что в свою очередь дает возможность расширить терапевтические и диагностические возможности различных заболеваний, включая онкологические.
- С помощью методов протеомики создаются протеомные карты для используемых в промышленности микроорганизмов, М. tuberculosis различных штаммов для разработки трансгенных растений, использующихся в медицинских целях, и новых лекарств.
- Протеомные исследования помогают находить мишени для действия лекарственных веществ при различных заболеваниях.
В целях систематизации и хранения огромных объемов информации, полученной в ходе протеомных исследований, о разнообразных белках создаются информационные базы (или банки) данных, в которые заносятся все подтвержденные о них сведения.
Эти данные доступны в сети Интернете любому желающему и подразделяются на общие и специализированные. Общие базы содержат информацию о протеоме всего живого в глобальном смысле, то есть об известных белках всех живых организмов.
Примерами специализированных банков данных о протеоме являются банки данных трехмерных структур макромолекул (PDB), доменов белков (Prodom), лиганд-рецепторных комплексов белков (RELIBASE), лиганд-рецепторных комплексов и ионов металлов в активных белковых центрах (PROMISE), движения белковых субъединиц, доменов и петель (ProteinMotionDatabase), функционально значимых участков белков (PROSITE).
Методы исследования протеомики
Методы и технологии протеомики, делающие возможным комплексное изучение протеома, направлены на одновременное разделение с последующей идентификациюей и анализом всех белков, которые синтезируются в исследуемом объекте (клетке, органе, ткани, организме).
Основные методы протеомики:
- Изоэлектрофокусирование (ИЭФ). Разделение белков этим методом основано на действии электрического поля в среде, в которой создается градиент pH при помощи специальных амфотерных веществ (амфолитов), способных переносить ток (то есть обладающих хорошей проводимостью) и создавать локально и поддерживать рН (то есть обладающих хорошей буферной емкостью).
- Электрофоретические методы. Среди этой группы методов разделения белков наибольшей эффективностью обладает особая модификация метода Лэммли для вертикальных пластин с созданием градиента концентрации полиакриламидного геля с использованием ионного детергента – додецилсульфата Na (SDS).
- Идентификация миросеквенированием. В основе этого метода лежит определение (расшифровка) части последовательности аминокислот белка. Особенностью метода является возможность работы с очень малым количеством пептидов - вплоть до нанограммов. Это представляет особую ценность, так как зачастую для идентификации целого белка оказывается решающим определение всего одного короткого фрагмента последовательности аминокислот.
- Масс-спектрометрия. Этот метод позволяет установить входящие в состав молекулы атомы, их изотопный состав и структуру расположения, а также определить массу молекулы. Существует несколько модификаций масс-спектрометрии. С помощью мягкой матриксной ионизации можно анализировать структуру таких биополимеров, как пептиды, полисахариды и макромолекулы. При этом отсутствует риск повредить ее. С помощью тандемной масс-спектрометрии, объединяющей несколько анализаторов, последовательно производятся: изоляция одного пептида, стабилизация ионов, составляющих его, и идентификация фрагментов.
- Капиллярный электрофорез. Этот метод позволяет анализировать сложные смеси с помощью электрокинетических явлений (электромиграции ионов и иных заряженных частиц и электроосмоса), приводящих к их разделению и появлению возможности определения компонентов.
- Капиллярное изоэлектрофокусирование. Этот метод позволяет одновременно получать сведения о молекулярном весе изучаемого пептида и его изоэлектрической точке.
- Двумерный электрофорез. Этот метод позволяет разделить основные известные белки, характерные для данной ткани, выявить наличие известных минорных белков, а также идентифицировать маркерные белки, характеризующие уже известные изменения в этой ткани.
