Dette blogindlæg undersøger, fra et omics-forskningsperspektiv, hvordan proteinkombinationer ændrer sig, når celler differentierer, og hvordan disse ændringer relaterer sig til biologiske systemers funktioner og sygdomsudbrud.
Et af kernenøgleordene i moderne biovidenskab er omics. I modsætning til tidligere biovidenskabelig forskning, der fokuserede på at analysere funktionen og strukturen af individuelle gener og proteiner, omfatter omics koncepter som genomics (studie af hele sættet af gener, eller genom, i en organisme eller celle), transkriptomics (studie af hele sættet af RNA, eller transkriptom) og proteomics (studie af hele sættet af proteiner, eller proteom).
Ifølge molekylærbiologiteorien transkriberes kun en del af den genetiske information i DNA til RNA, og kun en del af dette RNA translateres til protein. Genomet i et specifikt biologisk system, såsom en organisme eller en celle, indeholder den komplette genetiske information for alle de funktioner, som systemet er i stand til at udføre. Genomet i det menneskelige system og genomet i et andet system, såsom en menneskelig levercelle, indeholder den samme information. Genomerne i en menneskelig levercelle og en muselevercelle indeholder dog hver især forskellige oplysninger. Transkriptomet indeholder information om de funktionelle aktiviteter, der sandsynligvis udføres ud fra den genomiske information, og proteomet, som en del af transkriptomet, repræsenterer information om de funktionelle aktiviteter, der rent faktisk udføres. De stoffer, der direkte udfører essentielt 'arbejde' i levende organismer, såsom at katalysere biokemiske reaktioner, er de proteiner, der udgør proteomet.
Mennesker besidder over 20,000 forskellige proteiner, og menneskeceller besidder, afhængigt af deres type, forskellige kombinationer af disse proteiner. Det vil sige, at mens nogle proteiner almindeligvis findes i hudceller, nerveceller, muskelceller osv., findes andre proteiner kun i specifikke celletyper. Celler gennemgår en proces kaldet differentiering, hvor én celletype transformeres til en anden som reaktion på eksterne stimuli eller et iboende program. Når celler ændrer sig gennem differentiering, ændres kombinationen af proteiner, de besidder, også. Mens celledifferentiering observeres tydeligt under individuel udvikling, kan den proces, hvorved normale celler transformeres til kræftceller, også forstås som en differentieringsproces.
Overvej et tilfælde, hvor proteombaseret forskning anvendes på en patients kræftceller og normale celler. Sammenligning af proteomer i kræftceller og normale celler muliggør identifikation af proteiner, hvis niveauer har ændret sig i kræftceller i forhold til normale celler. Forskere identificerer disse proteiner som potentielle nye terapeutiske mål for kræftbehandling og forsker i dem. Proteiner, hvis niveauer er forhøjede i kræftceller sammenlignet med normale celler, kan være kandidater til onkogener, mens proteiner, hvis niveauer er nedsat i kræftceller sammenlignet med normale celler, kan være kandidater til tumorsuppressorproteiner.
Så hvordan foregår processen med at identificere, hvilke af de over 20,000 humane proteiner disse opdagede proteiner er? Proteiner består af 20 typer aminosyrer, der er forbundet i en lineær sekvens, hvor hvert protein i gennemsnit indeholder omkring 500 aminosyrer. Da forskellige proteiner har forskellige aminosyresekvenser, gør kendskab til aminosyresekvensen af et specifikt protein det muligt at bestemme dets identitet.
Der findes adskillige eksperimentelle metoder til at bestemme et proteins aminosyresekvens, hvoraf en er peptidmolekylvægtanalyse. Dette involverer behandling af et ukendt protein med trypsin for at spalte det i peptider - fragmenter med et gennemsnit på omkring 10 aminosyrer - og derefter måling af molekylvægten af hvert peptid. Da trypsin genkender specifikke aminosyrer til spaltning, er det muligt at forudsige, hvor spaltningen vil finde sted mellem aminosyrer. Faktisk præsenteres proteomanalysedata numerisk som peptidmolekylvægtværdier og den relative mængde af peptider. Da aminosyresekvenserne og molekylvægtene af alle humane proteiner allerede er kendte, kan resultaterne af molekylvægtanalysen af peptider opnået ved at behandle proteomerne i kræftceller og normale celler med trypsin bruges til at identificere kandidatterapeutiske målproteiner.
