Tämä blogikirjoitus tarkastelee omiikkatutkimuksen näkökulmasta, miten proteiiniyhdistelmät muuttuvat solujen erilaistuessa ja miten nämä muutokset liittyvät biologisten järjestelmien toimintaan ja sairauksien puhkeamiseen.
Yksi nykyaikaisten biotieteiden keskeisistä avainsanoista on omiikka. Toisin kuin aiempi biotieteellinen tutkimus, joka keskittyi yksittäisten geenien ja proteiinien toiminnan ja rakenteen analysointiin, omiikka kattaa käsitteitä, kuten genomiikan (koko geenijoukon eli genomin tutkiminen organismissa tai solussa), transkriptomiikan (koko RNA-joukon eli transkriptomin tutkiminen) ja proteomiikan (koko proteiinijoukon eli proteomin tutkiminen).
Molekyylibiologian teorian mukaan vain osa DNA:han sisältyvästä geneettisestä tiedosta transkriptoidaan RNA:ksi ja vain osa tästä RNA:sta transloidaan proteiiniksi. Tietyn biologisen järjestelmän, kuten organismin tai solun, genomi sisältää täydellisen geneettisen tiedon kaikista toiminnoista, joita järjestelmä pystyy suorittamaan. Ihmisen järjestelmän genomi ja toisen järjestelmän, kuten ihmisen maksasolun, genomi sisältävät saman tiedon. Ihmisen maksasolun ja hiiren maksasolun genomit sisältävät kuitenkin kumpikin erillistä tietoa. Transkriptomi puolestaan sisältää tietoa genomi-informaation perusteella todennäköisimmin parhaillaan suoritettavista toiminnallisista toiminnoista, ja transkriptomiin kuuluva proteomi edustaa tietoa tosiasiallisesti suoritettavista toiminnallisista toiminnoista. Aineet, jotka suorittavat suoraan olennaisia "töitä" elävissä organismeissa, kuten katalysoivat biokemiallisia reaktioita, ovat proteomin muodostavat proteiinit.
Ihmisillä on yli 20 000 erilaista proteiinia, ja ihmissoluilla on tyypistään riippuen näiden proteiinien erilaisia yhdistelmiä. Toisin sanoen, vaikka joitakin proteiineja löytyy yleisesti ihosoluista, hermosoluista, lihassoluista jne., toisia proteiineja löytyy vain tietyistä solutyypeistä. Solut käyvät läpi prosessin, jota kutsutaan erilaistumiseksi, jossa yksi solutyyppi muuttuu toiseksi vasteena ulkoisille ärsykkeille tai luontaiselle ohjelmalle. Kun solut muuttuvat erilaistumisen kautta, myös niiden hallussa olevien proteiinien yhdistelmä muuttuu. Vaikka solujen erilaistuminen havaitaan selvästi yksilön kehityksen aikana, prosessi, jossa normaalit solut muuttuvat syöpäsoluiksi, voidaan myös ymmärtää erilaistumisprosessina.
Tarkastellaan tapausta, jossa proteomiikkaan perustuvaa tutkimusta sovelletaan potilaan syöpäsoluihin ja normaaleihin soluihin. Syöpäsolujen ja normaalien solujen proteomien vertailu mahdollistaa sellaisten proteiinien tunnistamisen, joiden tasot ovat muuttuneet syöpäsoluissa suhteessa normaaleihin soluihin. Tutkijat tunnistavat nämä proteiinit mahdollisiksi uusiksi syöpähoidon kohteiksi ja jatkavat niiden tutkimusta. Proteiinit, joiden tasot ovat lisääntyneet syöpäsoluissa verrattuna normaaleihin soluihin, voivat olla ehdokkaita onkogeeneiksi, kun taas proteiinit, joiden tasot ovat vähentyneet syöpäsoluissa verrattuna normaaleihin soluihin, voivat olla ehdokkaita kasvainsuppressoriproteiineiksi.
Miten siis tunnistetaan, mitkä yli 20 000 ihmisproteiinista ovat peräisin näistä löydetyistä proteiineista? Proteiinit koostuvat 20 erityyppisestä aminohaposta, jotka ovat liittyneet lineaariseen järjestykseen, ja jokainen proteiini sisältää keskimäärin noin 500 aminohappoa. Koska eri proteiineilla on erilaiset aminohapposekvenssit, tietyn proteiinin aminohapposekvenssin tunteminen mahdollistaa sen identiteetin määrittämisen.
Proteiinin aminohapposekvenssin määrittämiseksi on olemassa useita kokeellisia menetelmiä, joista yksi on peptidimolekyylipainoanalyysi. Tässä tuntematon proteiini käsitellään trypsiinillä sen pilkkomiseksi peptideiksi – fragmenteiksi, joiden keskimääräinen pituus on noin 10 aminohappoa – ja sitten mitataan kunkin peptidin molekyylipaino. Koska trypsiini tunnistaa tietyt aminohapot pilkkomista varten, on mahdollista ennustaa, missä aminohappojen välillä pilkkoutuminen tapahtuu. Proteomianalyysin tiedot esitetään numeerisesti peptidimolekyylipainoarvoina ja peptidien suhteellisena runsautena. Koska kaikkien ihmisproteiinien aminohapposekvenssit ja molekyylipainot ovat jo tiedossa, syöpäsolujen ja normaalien solujen proteomeja trypsinillä käsittelemällä saatujen peptidien molekyylipainoanalyysin tuloksia voidaan käyttää terapeuttisten kohdeproteiinien tunnistamiseen.
