تدرس هذه التدوينة، من منظور البحث في علم الجينوم، كيف تتغير تركيبات البروتين مع تمايز الخلايا وكيف ترتبط هذه التغييرات بوظائف الأنظمة البيولوجية وبداية المرض.
تُعدّ الأوميكس إحدى الكلمات المفتاحية الأساسية في علوم الحياة الحديثة. بخلاف أبحاث علوم الحياة السابقة التي ركزت على تحليل وظيفة وبنية الجينات والبروتينات الفردية، تشمل الأوميكس مفاهيم مثل علم الجينوم (دراسة مجموعة الجينات بأكملها، أو الجينوم، في الكائن الحي أو الخلية)، وعلم النسخ (دراسة مجموعة الحمض النووي الريبوزي (RNA) بأكملها، أو الترانسكربتوم)، وعلم البروتينات (دراسة مجموعة البروتينات بأكملها، أو البروتيوم).
وفقًا لنظرية علم الأحياء الجزيئي، يُنسخ جزء فقط من المعلومات الوراثية الموجودة في الحمض النووي الريبوزي (DNA) إلى الحمض النووي الريبوزي (RNA)، ويُترجم جزء فقط من هذا الحمض النووي الريبوزي إلى بروتين. يحمل جينوم أي نظام بيولوجي محدد، مثل الكائن الحي أو الخلية، المعلومات الوراثية الكاملة لجميع الوظائف التي يستطيع هذا النظام القيام بها. يحتوي جينوم النظام البشري وجينوم نظام آخر، مثل خلية الكبد البشرية، على نفس المعلومات. ومع ذلك، يحتوي كل من جينوم خلية الكبد البشرية وخلية كبد الفأر على معلومات مميزة. وفي الوقت نفسه، يحتوي الترانسكربتوم على معلومات حول الأنشطة الوظيفية التي يُرجح أن تُؤدى حاليًا من المعلومات الجينومية، ويمثل البروتيوم، كجزء من الترانسكربتوم، معلومات حول الأنشطة الوظيفية التي تُؤدى بالفعل. المواد التي تؤدي "عملًا" أساسيًا بشكل مباشر في الكائنات الحية، مثل تحفيز التفاعلات الكيميائية الحيوية، هي البروتينات التي تُشكل البروتيوم.
يمتلك الإنسان أكثر من 20,000 بروتين مميز، وتمتلك الخلايا البشرية، حسب نوعها، تركيبات مختلفة من هذه البروتينات. فبينما توجد بعض البروتينات عادةً في خلايا الجلد والخلايا العصبية والخلايا العضلية، وغيرها، توجد بروتينات أخرى فقط في أنواع محددة من الخلايا. تخضع الخلايا لعملية تُسمى التمايز، حيث يتحول نوع من الخلايا إلى نوع آخر استجابةً لمحفزات خارجية أو برنامج وراثي. وعندما تتغير الخلايا من خلال التمايز، تتغير أيضًا تركيبات البروتينات التي تمتلكها. وبينما يُلاحظ تمايز الخلايا بشكل واضح أثناء نمو الفرد، يمكن أيضًا فهم عملية تحول الخلايا الطبيعية إلى خلايا سرطانية على أنها عملية تمايز.
لنفترض حالةً طُبِّقت فيها أبحاثٌ قائمة على تحليل البروتينات على خلايا سرطانية وخلايا طبيعية لدى مريض. تُتيح مقارنة بروتيومات الخلايا السرطانية والخلايا الطبيعية تحديد البروتينات التي تغيرت مستوياتها في الخلايا السرطانية مقارنةً بالخلايا الطبيعية. يُحدِّد العلماء هذه البروتينات كأهداف علاجية جديدة محتملة لعلاج السرطان، ويُواصلون أبحاثهم عليها. يُمكن أن تكون البروتينات التي ترتفع مستوياتها في الخلايا السرطانية مقارنةً بالخلايا الطبيعية مُرشَّحةً للجينات السرطانية، بينما يُمكن أن تكون البروتينات التي تنخفض مستوياتها في الخلايا السرطانية مقارنةً بالخلايا الطبيعية مُرشَّحةً للبروتينات الكابتة للأورام.
إذن، كيف تتم عملية تحديد أيٍّ من البروتينات البشرية التي يزيد عددها عن 20,000 بروتين؟ تتكون البروتينات من 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المرتبطة بتسلسل خطي، بمتوسط حوالي 500 حمض أميني لكل بروتين. ولأن البروتينات المختلفة لها تسلسلات أحماض أمينية مختلفة، فإن معرفة تسلسل الأحماض الأمينية لبروتين معين يسمح بتحديد هويته.
توجد عدة طرق تجريبية لتحديد تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين، إحداها تحليل الوزن الجزيئي للببتيد. يتضمن هذا التحليل معالجة بروتين غير معروف بالتربسين لتقسيمه إلى ببتيدات - شظايا يبلغ متوسطها حوالي 10 أحماض أمينية - ثم قياس الوزن الجزيئي لكل ببتيد. بما أن التربسين يتعرف على أحماض أمينية محددة للتقسيم، فمن الممكن التنبؤ بمكان حدوث التقسيم بين الأحماض الأمينية. في الواقع، تُعرض بيانات التحليل البروتيني رقميًا كقيم للوزن الجزيئي للببتيد والوفرة النسبية للببتيدات. بما أن تسلسلات الأحماض الأمينية والأوزان الجزيئية لجميع البروتينات البشرية معروفة بالفعل، يمكن استخدام نتائج تحليل الوزن الجزيئي للببتيدات، التي يتم الحصول عليها عن طريق معالجة بروتيومات الخلايا السرطانية والخلايا الطبيعية بالتربسين، لتحديد البروتينات المستهدفة العلاجية المحتملة.
