Тази публикация в блога разглежда, от гледна точка на омик изследванията, как протеиновите комбинации се променят с диференциацията на клетките и как тези промени са свързани с функциите на биологичните системи и началото на заболяването.
Една от основните ключови думи в съвременните науки за живота е омика. За разлика от изследванията в миналите науки за живота, фокусирани върху анализа на функцията и структурата на отделни гени и протеини, омика обхваща понятия като геномика (изучаване на целия набор от гени или геном в организъм или клетка), транскриптомика (изучаване на целия набор от РНК или транскриптом) и протеомика (изучаване на целия набор от протеини или протеом).
Според теорията на молекулярната биология, само част от генетичната информация, съдържаща се в ДНК, се транскрибира в РНК и само част от тази РНК се транслира в протеин. Геномът на специфична биологична система, като например организъм или клетка, съдържа пълната генетична информация за всички функции, които тази система е способна да изпълнява. Геномът на човешката система и геномът на друга система, като например човешка чернодробна клетка, съдържат една и съща информация. Геномите на човешка чернодробна клетка и на миша чернодробна клетка обаче съдържат различна информация. Междувременно, транскриптомът съдържа информация за функционалните дейности, които най-вероятно се извършват в момента от геномната информация, а протеомът, като част от транскриптома, представлява информация за функционалните дейности, които действително се извършват. Веществата, които директно извършват основна „работа“ в живите организми, като например катализиране на биохимични реакции, са протеините, които изграждат протеома.
Хората притежават над 20 000 различни протеина, а човешките клетки, в зависимост от вида си, притежават различни комбинации от тези протеини. Тоест, докато някои протеини се срещат често в кожните клетки, нервните клетки, мускулните клетки и др., други протеини се срещат само в специфични клетъчни типове. Клетките претърпяват процес, наречен диференциация, при който един клетъчен тип се трансформира в друг в отговор на външни стимули или присъща програма. Когато клетките се променят чрез диференциация, комбинацията от протеини, които притежават, също се променя. Докато клетъчната диференциация се наблюдава ясно по време на индивидуалното развитие, процесът, чрез който нормалните клетки се трансформират в ракови клетки, също може да се разбира като процес на диференциация.
Да разгледаме случай, в който изследвания, базирани на протеомика, се прилагат към ракови клетки и нормални клетки на пациент. Сравняването на протеомите на раковите клетки и нормалните клетки позволява идентифицирането на протеини, чиито нива са се променили в раковите клетки спрямо нормалните клетки. Учените идентифицират тези протеини като потенциални нови терапевтични цели за лечение на рак и провеждат изследвания върху тях. Протеините, чиито нива са повишени в раковите клетки в сравнение с нормалните клетки, могат да бъдат кандидати за онкогени, докато протеините, чиито нива са намалени в раковите клетки в сравнение с нормалните клетки, могат да бъдат кандидати за туморни супресорни протеини.
И така, как протича процесът на идентифициране на това кои от над 20 000 човешки протеина са тези открити протеини? Протеините се състоят от 20 вида аминокиселини, свързани в линейна последователност, като всеки протеин има средно около 500 аминокиселини. Тъй като различните протеини имат различни аминокиселинни последователности, познаването на аминокиселинната последователност на специфичен протеин позволява да се определи неговата идентичност.
Съществуват няколко експериментални метода за определяне на аминокиселинната последователност на протеин, един от които е анализ на молекулното тегло на пептидите. Това включва третиране на неизвестен протеин с трипсин, за да се разцепи на пептиди – фрагменти със средно около 10 аминокиселини – и след това измерване на молекулното тегло на всеки пептид. Тъй като трипсинът разпознава специфични аминокиселини за разцепване, е възможно да се предвиди къде ще се случи разцепването между аминокиселините. Всъщност данните от протеомния анализ се представят числено като стойности на молекулното тегло на пептидите и относителното изобилие на пептидите. Тъй като аминокиселинните последователности и молекулните тегла на всички човешки протеини са вече известни, резултатите от анализа на молекулното тегло на пептидите, получени чрез третиране на протеомите на раковите клетки и нормалните клетки с трипсин, могат да се използват за идентифициране на кандидат-терапевтични целеви протеини.
