Proteomikaning asosiy rivojlanish yo'nalishlari. Proteomika yuqori texnologiyali baliq ovlash Proteomika

Proteomikaning asosiy rivojlanish yo'nalishlari. Proteomika - yuqori texnologiyali baliq ovlash
Proteomika- oqsillarning tuzilishi va funktsiyasini o'rganadigan, shuningdek, tirik hujayra ichidagi oqsil-oqsil o'zaro ta'sirining murakkab tarmog'ini tahlil qiluvchi fan.
Proteomikaning asosiy savollarini quyidagicha shakllantirish mumkin: Har bir alohida oqsilning tuzilishi va xususiyatlari qanday? Tananing har bir o'ziga xos hujayrasida qanday oqsillar to'plami mavjud? Hujayra ichidagi ko'p va xilma-xil oqsillar bir-biri bilan qanday o'zaro ta'sir qiladi? Ko'p komponentli tarmoq tugunlarida qanday oqsillar joylashgan va bu tarmoqning har bir oqsil komponentining faolligi qanday tartibga solinadi? Afsuski, bu savollarga hali to'liq javob yo'q. Ko'pgina organizmlarning genomi shifrlangan va ko'plab genlarning nukleotidlar ketma-ketligi tasvirlangan bo'lsa-da, muhim miqdordagi genlarning (va shuning uchun ular kodlaydigan oqsillarning) funktsiyalari noma'lumligicha qolmoqda.
Proteomikaning usullari va asosiy vazifalari
Proteinlarning tuzilishini o'rganishda muhim rol o'ynaydi ketma-ketlik usullari, ya'ni. oqsildagi aminokislotalarning ketma-ketligini aniqlashga imkon beruvchi usullar (oqsilning birlamchi tuzilishi). Oqsil tuzilishidagi aminokislotalarning fazoviy tashkil etilishini (oqsilning ikkilamchi va uchinchi darajali tuzilishi) o‘rganish uchun spektroskopik usullar keng qo‘llaniladi (doiraviy dixroizm usuli va infraqizil spektroskopiya usuli va boshqalar). NMR usullari va rentgen nurlanishini tahlil qilish oqsilning uchinchi darajali tuzilishi haqida eng to'liq va batafsil ma'lumot beradi va oqsil tuzilishini 1-3 A gacha bo'lgan ruxsat bilan o'rganish imkonini beradi. Proteinning uchinchi darajali tuzilishi haqidagi ma'lumotlar berilgan oqsil tomonidan bajariladigan funktsiyalar haqida muhim ma'lumot beradi va ko'pincha o'xshash funktsiyalarga ega bo'lgan oqsillar o'xshash fazoviy tuzilishga ega. Ultratsentrifugalash va gel filtrlash usullari oqsilning to'rtlamchi tuzilishini o'rganish imkonini beradi. Yuqorida tavsiflangan usullarning kombinatsiyasidan foydalanish har bir alohida oqsilning tuzilishi va xususiyatlarini batafsil tavsiflash va shu bilan proteomikaning asosiy savollaridan biriga javob olish imkonini beradi.
Proteomikaning yana bir muhim muammosi - ma'lum bir hujayrada ifodalangan barcha oqsillarning to'liq tarkibini tavsiflashdir. Ushbu muammoni hal qilish uchun massa spektrometriyasi bilan birgalikda ikki o'lchovli (2D) gel elektroforez usuli qo'llaniladi. 2D elektroforez hujayrani tashkil etuvchi oqsillarning ko'p qismini ajratish imkonini beradi, massa spektrometriya usuli esa oqsillarning har birini o'ziga xos tarzda aniqlash imkonini beradi. Ushbu turdagi tadqiqotning maqsadi oqsillarni normada va turli omillar ta'sirida yoki turli patologik sharoitlarda ifodalanishini solishtirishdir. Maxsus oqsillarning (marker oqsillari) ifoda darajasini aniqlash onkologik, neyrodegenerativ va boshqa kasalliklarni tashxislashda qo'llanilishi mumkin.
Hujayrada sodir bo'ladigan jarayonlarni tushunish uchun ma'lum sharoitlarda ifodalangan oqsillarning tabiati va to'plamini bilish etarli emas. Qaysi oqsillar bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi va bunday o'zaro ta'sirlar sherik oqsillarning tuzilishi va xususiyatlariga qanday ta'sir qiladi, degan savolni o'rganish juda muhimdir. Oqsillarning o'zaro ta'sirini tahlil qilish uchun koimmunoprecipitatsiya usullari (antigen oqsili va uning sherik oqsillarini immun sorbentda sorbsiyasi), so'ngra sherik oqsillarni aniqlash uchun mass-spektrometriya, ikki gibrid usul, fag ko'rsatkichi va boshqalar qo'llaniladi. . Hamkor oqsillarni aniqlash o'rganilayotgan oqsilning ishlash mexanizmi haqida muhim ma'lumotlarni berishi mumkin va oqsil-oqsil o'zaro ta'sirini aniqlash hujayralar ichida sodir bo'ladigan turli jarayonlarni tavsiflash imkonini beradi.eomikaning tarixi
Proteomikaning rivojlanishining boshlanishi Frederik Sanger tajribalari bilan bog'liq bo'lishi mumkin. 1940—50-yillarda u insulinning tuzilishini oʻrgandi va birinchi marta uning aminokislotalar ketma-ketligini va disulfid bogʻlanish oʻrnini aniqladi. Sanger dinitroflorobenzol yordamida oqsillarni sekvensiyalash usulini taklif qildi.

• 
  Proteinlar ketma-ketligi (Sanger)
  
• 
  Kristallanish (Sumner va boshqalar)
  
• 
  Mass-spektrometriya
  
• 
  Zamonaviy proteomik tadqiqotlar
  

Funktsional genomika chambarchas bog'liq va aslida biologiyaning so'nggi yo'nalishi bilan bir-biriga mos keladi " proteomika"- proteomalar haqidagi fan. "Proteom" so'zi "oqsil" (oqsil) so'zidan va "genom" so'zining oxiridan hosil bo'lgan, shuning uchun nomning o'zida "oqsil" va "genom" (DNK) Bu ularning eng yaqinligini ta'kidlaydi Biroq, genomika va proteomika o'rtasida, genom va proteom o'rtasida bitta fundamental farq borki, bu butunlay yangi tadqiqot usullarini, yangi strategiyalarni hayotga tatbiq etadi.
Proteom- kontseptsiya dinamik, genom barqaror va doimiy bo'lsa, aks holda irsiy xususiyatlarni avloddan-avlodga o'tkazish, turlarning saqlanishini ta'minlash mumkin emas va hokazo. Genomning o'zgaruvchanligi har doim uning yuqori barqarorligi fonida yuzaga keladi va uni hech qanday tarzda bekor qilmaydi. Proteom - ma'lum bir hujayraning ma'lum bir vaqtda rivojlanishining ma'lum bir bosqichidagi oqsillari to'plami, ya'ni. axborotning umumiy miqdori bo'yicha genomdan kamroq. Inson tanasining har qanday hujayrasida taxminan 80 ming genning barchasi hech qachon ishlamaydi, ularning faqat bir qismi ishlaydi - ba'zan kichikroq, ba'zan kattaroq. Aniq raqamlarni aytish hali ham qiyin bo'lsa-da, oddiy ixtisoslashgan hujayrada, masalan, jigar yoki o'pka hujayrasida, ehtimol, bir vaqtning o'zida 10 mingdan ortiq protein mavjud emas va keskin har xil miqdorda - har bir hujayradagi bir nechta molekuladan. umumiy miqdorning bir necha foizi hujayra oqsili. Proteinlar to'plami hujayra bo'linish bosqichiga, hujayraning to'qimalarining ixtisoslashuviga, uning farqlanish bosqichiga, normal yoki xavfli hujayralarga tegishliligiga, stress yoki dam olishga, hujayradan tashqari fiziologik faol moddalar ta'siriga va hokazolarga qarab doimiy ravishda o'zgarib turadi. . Shuning uchun hujayraning oqsil "portreti" ko'plab omillar va ta'sirlarga bog'liq bo'lib, deyarli doimiy o'zgarishlarga duchor bo'ladi, bu uni o'rganishni ayniqsa qiyinlashtiradi.
Proteomik texnologiyalarning "guldastasi" mavjud; har birining o'ziga xos afzalliklari va kamchiliklari bor. Keling, eng samarali ikkitasiga e'tibor qarataylik. Hujayradan olingan oqsillarning murakkab aralashmasini tashuvchida (odatda poliakrilamid jeli) ikki yo'nalishda ajratish mumkin: birida oqsillar hajmi (molekulyar og'irlik), ikkinchisida elektr zaryadi (izoelektrik nuqta) bo'yicha bo'linadi. ). Natijada har biri bir yoki bir nechta oqsilga mos keladigan ko'p yuzlab nuqtalarni o'z ichiga olgan ikki o'lchovli xaritadir.
Agar tadqiqotchi oqsillarning ma'lum bir guruhiga qiziqqan bo'lsa, uni "xaritada" ajratib olish va biroz o'zgartirilgan sharoitlarda yuqori aniqlik bilan qayta ajratish mumkin. Endi ma'lumotlar banklari oqsillari ikki yo'nalishda elektroforetik ajratishga duchor bo'lgan ko'plab turdagi hujayralar to'g'risidagi ma'lumotlarni saqlaydi. Kompyuter bunday ikki o'lchovli "oqsil xaritalari" ni solishtirishga qodir va bu turdagi hujayralar nimaga o'xshashligini va qaysi oqsillarda farqlanishini ajratib turadi.
"Ikki o'lchovli xaritalar" usuli doimiy ravishda takomillashtirilmoqda va ushbu "xaritalarda" ko'rinadigan individual oqsil nuqtalarining aksariyati allaqachon aniqlangan yoki identifikatsiya qilish jarayonida.
Proteinni aniqlashning eng zamonaviy usuli - o'rganilayotgan oqsilning u yoki bu ferment (proteaz) yordamida bo'laklarga (peptidlarga) bo'linishi. Keyin hosil bo'lgan peptidlar, odatda, yuqori bosimli xromatografiya orqali ajratiladi, so'ngra alohida peptidlarning har biri mass-spektrometrga joylashtiriladi va uning massasi aniqlanadi. Olingan natijalarni oqsil ma'lumotlar bazalarida mavjud bo'lganlar bilan solishtirish, agar uning tuzilishi ma'lum bo'lsa, oqsilni ishonchli aniqlash imkonini beradi. Noma'lum protein uchun bu usul "qarindoshlar" ni topishga yordam beradi va natijada uning mumkin bo'lgan funktsiyasi haqida dastlabki fikrni shakllantirishga yordam beradi.
Proteomaning o'zgaruvchanligi nafaqat genlarning bir qismining ma'lum bir momentda, boshqa qismi esa boshqa momentda ishlashi bilan bog'liq. Proteinlar to'plami DNK dan xabarchi RNK (mRNK) ga boradigan yo'lda sodir bo'ladigan jarayonlarga kuchli bog'liqdir. Bu erda birlamchi gen mahsulotlarining (RNK) ko'pchiligi "alternativ splicing" deb ataladigan jarayondan o'tadi, uning mohiyati shundaki, etuk messenjer RNK hosil bo'lgunga qadar undan molekulaning turli qismlari chiqariladi. Natijada, bitta gen birlamchi tuzilishida farq qiluvchi ko'plab oqsillarni keltirib chiqarishi mumkin. Shunday qilib, biokimyo va molekulyar biologiyaning eski dogmalaridan biri - "Bir gen - bitta ferment" modernizatsiya qilinishi kerakligi ayon bo'ldi. Juda ko'p hollarda formula to'g'ri keladi: "Bir gen - ko'plab oqsillar".
Shu munosabat bilan shuni ta'kidlash kerakki, sintezdan so'ng oqsillar juda ko'p kimyoviy o'zgarishlarga (modifikatsiyalarga) duchor bo'ladilar, ular dastlab bir gen tomonidan kodlangan bo'lsa-da, ularning katta xilma-xilligini yaratadilar. Ushbu modifikatsiyalar fosforlanish, atsetillanish, metillanish, glikozillanish va boshqa ko'plab reaktsiyalarni o'z ichiga oladi. Katta oqsilda bu modifikatsiyalar sodir bo'lishi mumkin bo'lgan ko'plab joylar mavjudligini hisobga olsak, bir xil protein molekulasining deyarli cheksiz xilma-xil shakllari paydo bo'lishi mumkinligini tasavvur qilish oson. Modifikatsiyalarning aksariyati ma'lum bir oqsil molekulasining biologik faolligiga, shuningdek, boshqa oqsil molekulalari bilan o'zaro ta'sir qilish qobiliyatiga sezilarli ta'sir qiladi. Natijada, biz shunday xulosaga kelamizki, agar hujayrada barcha genlarning 10 foizi, aytaylik, 8 mingta ishlaydi - u holda turli xil oqsillar soni bu qiymatdan 10 baravar oshishi mumkin. Ilgari tadqiqotchilar bunday vaziyat yuzaga kelishi mumkinligini taxmin qilishgan, ammo endi ular haqiqatan ham uning haqiqiy ko'lamini ifodalaydi.
Proteomikaning nihoyatda muhim bo'limi, albatta, oqsil-oqsil va oqsil-nuklein kislotalarning o'zaro ta'sirini o'rganishni hisobga olish kerak. Hujayra hayoti davomida deyarli har bir oqsil o'z faoliyati davomida turli xil makromolekulalar, shuningdek, past molekulyar og'irlikdagi ligandlar bilan o'zaro ta'sir qiladi.
So'nggi yillarda oqsil-oqsil o'zaro ta'sirini o'rganish uchun "xamirturushli qo'sh duragaylar" deb ataladigan usul keng qo'llanila boshlandi. Genetika injeneriyasi yordamida transkripsiya omili bilan oʻzaro taʼsir qiluvchi DNK mintaqasidan va “reportyor gen”ni kodlovchi DNK mintaqasidan iborat konstruksiya yaratiladi, bu esa oʻz navbatida faolligini oʻlchash oson boʻlgan ferment oqsilini kodlaydi. Transkripsiya omili ikkita dominantdan iborat bo'lib, faqat dominantlar bir-biri bilan o'zaro ta'sirlashganda ishlaydi. Agar siz o'rganilayotgan ikkita oqsilning bir-biri bilan o'zaro ta'sirini aniqlashingiz kerak bo'lsa, siz transkripsiya omilini ajratib olishingiz va dominantlarning har biriga qiziqish oqsilini biriktirishingiz kerak. Ular o'zaro ta'sirlashganda, transkripsiya omili o'z faolligini tiklaydi, bu "reportyor geni" ning ishlashiga imkon beradi va keyin siz "reportyor oqsili" faolligini topasiz. Agar o'rganilayotgan oqsillar o'zaro ta'sir qilmasa, oqsil-ferment hosil bo'lmaydi.
Ikki gibrid tizimni odamlar va boshqa organizmlar oqsillariga tatbiq etish har xil turdagi oqsil-oqsil aloqalarining juda ko'p ekanligini isbotlashga va bundan tashqari, ilgari noma'lum bo'lgan ko'plab oqsil-oqsil o'zaro ta'sirlarini aniqlashga imkon berdi. Ushbu ma'lumot hujayradagi signalizatsiya yo'llarining tarkibiy qismlarini aniqlash uchun juda muhimdir. Qoida tariqasida, "vositachi oqsillar" hujayra yuzasidan yadroga signallarni uzatishda ishtirok etadi, ular ko'pincha hujayrada ahamiyatsiz konsentratsiyalarda topiladi, shuning uchun eksperimentatorlar uchun signalizatsiya yo'llarini tahlil qilish juda qiyin. Protein-oqsil o'zaro ta'sirining ochilishi vaziyatni keskin o'zgartirdi.
Oqsil-nuklein kislotalarning o‘zaro ta’sirini tahlil qilishda ushbu komponentlarning “kimyoviy o‘zaro bog‘lanishi” usullari keng qo‘llaniladi (masalan, akademik A.A.Bogdanovning xodimlari hujayrada oqsil biosintezi sodir bo‘ladigan ribosoma zarrachalari ichidagi ko‘plab muhim o‘zaro ta’sirlarni aniqladilar. ).
Yana bir qulay usul - kompleks hosil qilish jarayonida elektroforetik harakatchanlikning o'zgarishi bo'lib, uning yordamida turli xil DNK-oqsil va RNK-oqsil kontaktlari tahlil qilingan. Ushbu usulning "kimyoviy o'zaro bog'lanish" bilan birgalikda asl nusxasi akademik A.D. Mirzabekov va nukleosomaning tuzilishini ochishda foydalanilgan - DNK va giston oqsillaridan iborat elementar struktura birligi, undan barcha xromosomalar tuzilgan.
Hozirgi vaqtda Rossiyaning G'arbiy Evropa, AQSh va Kanadadagi MDH mamlakatlaridagi turli tadqiqot institutlarining akademik markazlari darajasida klinikada biotibbiyot va farmatsevtika tadqiqotlari uchun ilmiy texnologik platformalar ishining natijalari ishlab chiqilmoqda va joriy etilmoqda. Agar inson genomik xaritasi barcha inson hujayralari uchun mohiyatan bir xil bo'lsa, u bir xil genlar to'plamiga ega 23 xromosomadir - bundan mustasno 14 jinsiy hujayra, u holda inson proteomik xaritasi holatida uning umumiyligi haqida gapirish mutlaqo ma'nosizdir. : har bir hujayra, har bir to'qima, har bir...