Протеом - Proteome

Общая схема, показывающая взаимоотношения генома , транскриптома , протеома и метаболома ( липидома ).

Протеом является всем набором белков , которые есть, или может быть, выражаются в геноме , клетка, ткань или организм в определенное время. Это набор белков, экспрессируемых в клетке или организме определенного типа в определенный момент времени и в определенных условиях. Протеомика - это исследование протеома.

Типы протеомов

В то время как протеом обычно относится к протеому организма, многоклеточные организмы могут иметь очень разные протеомы в разных клетках, поэтому важно различать протеомы в клетках и организмах.

Сотовой протеом является сбор белков , обнаруженных в конкретной ячейки типа в соответствии с определенным набором условий окружающей среды , таких как воздействие гормональной стимуляции .

Также может быть полезно рассмотреть полный протеом организма , который можно представить как полный набор белков из всех различных клеточных протеомов. Это примерно белковый эквивалент генома .

Термин протеом также используется для обозначения набора белков в определенных субклеточных системах , таких как органеллы. Например, митохондриальный протеом может состоять из более чем 3000 различных белков.

Белки вируса можно назвать вирусным протеомом . Обычно вирусные протеомы предсказываются на основе вирусного генома, но были предприняты некоторые попытки определить все белки, экспрессируемые из вирусного генома, то есть вирусного протеома. Однако чаще вирусная протеомика анализирует изменения белков хозяина при вирусной инфекции, так что фактически изучаются два протеома (вируса и его хозяина).

Важность рака

Протеом можно использовать для определения наличия различных типов рака.

Протеом можно использовать для сравнительного анализа различных линий раковых клеток. Протеомные исследования были использованы для определения вероятности метастазов в клеточных линиях рака мочевого пузыря KK47 и YTS1, и было обнаружено, что они содержат 36 нерегулируемых и 74 подавляемых белка. Различия в экспрессии белков могут помочь идентифицировать новые механизмы передачи сигналов рака.

Биомаркеры рака были обнаружены с помощью протеомного анализа на основе масс-спектрометрии . Использование протеомики или изучение протеома - это шаг вперед в персонализированной медицине, позволяющий адаптировать коктейли лекарств к конкретному протеомному и геномному профилю пациента. Анализ клеточных линий рака яичников показал, что предполагаемые биомаркеры рака яичников включают α-енолазу (ENOA), фактор элонгации Tu , митохондриальную (EFTU), глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназу (G3P) , белок стресс-70, митохондриальный (GRP75). ), аполипопротеин A-1 (APOA1) , пероксиредоксин (PRDX2) и аннексин A (ANXA) ».

Сравнительный протеомный анализ 11 клеточных линий продемонстрировал сходство метаболических процессов каждой клеточной линии; В результате этого исследования был полностью идентифицирован 11731 белок. Белки домашнего хозяйства имеют тенденцию проявлять большую вариабельность между клеточными линиями.

Устойчивость к некоторым лекарствам от рака до сих пор не изучена. Протеомный анализ использовался для идентификации белков, которые могут обладать противораковыми свойствами, особенно для лекарственного средства от рака толстой кишки иринотекан . Исследования клеточной линии аденокарциномы LoVo показали, что 8 белков не регулировались, а 7 белков подавлялись. Белки, которые демонстрировали дифференциальную экспрессию, были вовлечены в такие процессы, как транскрипция, апоптоз и пролиферация / дифференцировка клеток, среди других.

Протеом в бактериальных системах

Протеомные анализы были выполнены на разных видах бактерий, чтобы оценить их метаболические реакции на разные условия. Например, у таких бактерий, как Clostridium и Bacillus , были использованы протеомные анализы, чтобы исследовать, как разные белки помогают спорам каждой из этих бактерий прорастать после длительного периода покоя. Чтобы лучше понять, как правильно удалять споры, необходимо провести протеомный анализ.

История

Марк Уилкинс придумал термин протеом в 1994 году на симпозиуме «2D-электрофорез: от белковых карт к геномам», который проходил в Сиене, Италия. Он появился в печати в 1995 году, когда была опубликована часть его докторской диссертации. Уилкинс использовал этот термин для описания всего набора белков, экспрессируемых геномом, клеткой, тканью или организмом.

Размер и содержание

Геномы вирусов и прокариот кодируют относительно четко определенный протеом, поскольку каждый белок можно предсказать с высокой степенью уверенности на основе его открытой рамки считывания (у вирусов от ~ 3 до ~ 1000, у бактерий от примерно 500 до примерно 10000 белков. ). Однако в большинстве алгоритмов прогнозирования белков используются определенные пороговые значения, например 50 или 100 аминокислот, поэтому такие прогнозы часто не учитывают небольшие белки. У эукариот это становится намного сложнее, поскольку из большинства генов может быть произведено более одного белка из- за альтернативного сплайсинга (например, протеом человека кодирует около 20 000 белков, но по некоторым оценкам было предсказано 92 179 белков, из которых 71 173 являются вариантами сплайсинга).

Протеоформы . Существуют различные факторы, которые могут добавлять белкам изменчивость. SAP (полиморфизм одной аминокислоты) и несинонимичный полиморфизм одного нуклеотида (nsSNP) могут приводить к различным «протеоформам» или «протеоморфам». По последним оценкам, около 135 000 проверенных несинонимичных cSNP в настоящее время размещены в SwissProt. В dbSNP имеется 4,7 миллиона кандидатных cSNP, но только ~ 670 000 cSNP были подтверждены в 1000 геномах, установленных как несинонимичные cSNP, которые изменяют идентичность аминокислоты в белке.

Темный протеом . Термин темный протеом, введенный Пердигао и его коллегами, определяет области белков, которые не имеют обнаруживаемой гомологии последовательности с другими белками известной трехмерной структуры и поэтому не могут быть смоделированы с помощью гомологии . Для 546 000 белков Swiss-Prot 44–54% протеома у эукариот и вирусов оказались «темными», тогда как у архей и бактерий только около 14% .

Протеом человека . В настоящее время несколько проектов направлены на картирование протеома человека, в том числе « Карта протеома человека» , ProteomicsDB и проект «Протеом человека» (HPP) . Подобно проекту генома человека , эти проекты стремятся найти и собрать доказательства всех предсказанных генов, кодирующих белок, в геноме человека. Карта Human Proteome Map в настоящее время (октябрь 2020 г.) утверждает, что 17 294 белка и 15 479 ProteomicsDB с использованием различных критериев. 16 октября 2020 года HPP опубликовала строгий план, охватывающий более 90% предсказанных генов, кодирующих белок. Белки идентифицируются из широкого спектра тканей и типов клеток плода и взрослого, включая гемопоэтические клетки .

Методы исследования протеома

На этом изображении показан двухмерный гель с цветными белками. Это способ визуализации белков на основе их массы и изоэлектрической точки.
Основная статья: Протеомика

Анализ белков оказывается сложнее, чем анализ последовательностей нуклеиновых кислот. В то время как ДНК состоит всего из 4 нуклеотидов, существует не менее 20 различных аминокислот, которые могут составлять белок. Кроме того, в настоящее время не существует известной высокопроизводительной технологии для создания копий одного белка. Доступны многочисленные методы для изучения белков, наборов белков или всего протеома. Фактически, белки часто изучаются косвенно, например, с помощью вычислительных методов и анализа геномов. Ниже приведены лишь несколько примеров.

Техники разделения и электрофорез

Протеомика , исследование протеома, в основном практиковалась путем разделения белков с помощью двумерного гель-электрофореза . В первом измерении белки разделяются с помощью изоэлектрической фокусировки , которая разделяет белки на основе заряда. Во втором измерении белки разделяются по молекулярной массе с помощью SDS-PAGE . Гель окрашивали с кумасси бриллиантовым синим или серебром для визуализации белков. Пятна на геле - это белки, которые переместились в определенные места.

Масс-спектрометрии

Масс-спектрометр Orbitrap, обычно используемый в протеомике
Основные статьи: масс-спектрометрия белков и масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия - один из ключевых методов исследования протеома. Некоторые важные методы масс-спектрометрии включают масс-спектрометрию с орбитальной ловушкой, MALDI (матричная лазерная десорбция / ионизация) и ESI (ионизация электрораспылением). Фингерпринтинг пептидных масс идентифицирует белок, расщепляя его на короткие пептиды, а затем определяет идентичность белка путем сопоставления наблюдаемых пептидных масс с базой данных последовательностей . С другой стороны, тандемная масс-спектрометрия может получить информацию о последовательности от отдельных пептидов, изолировав их, столкнув их с инертным газом, а затем каталогизируя образующиеся фрагментные ионы .

В мае 2014 года в журнале Nature был опубликован черновой вариант карты протеома человека . Эта карта была создана с использованием масс-спектрометрии с преобразованием Фурье высокого разрешения. В этом исследовании было профилировано 30 гистологически нормальных образцов человека, в результате чего были идентифицированы белки, кодируемые 17 294 генами. Это составляет около 84% от общего количества аннотированных генов, кодирующих белок.

Хроматография

Жидкостная хроматография - важный инструмент в изучении протеома. Это позволяет очень чувствительно разделять различные типы белков на основе их сродства к матрице. Некоторые новые методы разделения и идентификации белков включают использование монолитных капиллярных колонок, высокотемпературную хроматографию и капиллярную электрохроматографию.

Промокание

Вестерн-блоттинг можно использовать для количественной оценки содержания определенных белков. Используя антитела, специфичные к интересующему белку, можно исследовать присутствие конкретных белков из смеси белков.

Анализы комплементации белков и скрины взаимодействия

Анализы комплементации белков-фрагментов часто используются для обнаружения межбелковых взаимодействий . Дрожжи двугибридный анализ является наиболее популярным из них , но существуют многочисленные вариации, как используется в пробирке и в естественных условиях . Pull-down анализы - это метод определения того, с какими видами белков взаимодействует белок.

Белковые базы данных

База данных Plasma Proteome содержит информацию о 10 500 белках плазмы крови. Поскольку диапазон содержания белка в плазме очень велик, трудно обнаружить белки, которые имеют тенденцию быть дефицитными по сравнению с белками в большом количестве. Существует аналитический предел, который может быть препятствием для обнаружения белков со сверхнизкими концентрациями.

Базы данных, такие как neXtprot и UniProt, являются центральными ресурсами протеомных данных человека.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки