Questo articolo del blog esamina, da una prospettiva di ricerca omica, come le combinazioni proteiche cambiano durante la differenziazione cellulare e come questi cambiamenti sono correlati alle funzioni dei sistemi biologici e all'insorgenza delle malattie.
Una delle parole chiave fondamentali nelle scienze della vita moderne è "omica". A differenza della ricerca sulle scienze della vita del passato, focalizzata sull'analisi della funzione e della struttura di singoli geni e proteine, l'omica comprende concetti come la genomica (lo studio dell'intero insieme di geni, o genoma, di un organismo o di una cellula), la trascrittomica (lo studio dell'intero insieme di RNA, o trascrittoma) e la proteomica (lo studio dell'intero insieme di proteine, o proteoma).
Secondo la teoria della biologia molecolare, solo una parte dell'informazione genetica contenuta nel DNA viene trascritta in RNA, e solo una parte di quell'RNA viene tradotta in proteine. Il genoma di uno specifico sistema biologico, come un organismo o una cellula, contiene l'informazione genetica completa per tutte le funzioni che quel sistema è in grado di svolgere. Il genoma del sistema umano e il genoma di un altro sistema, come una cellula epatica umana, contengono le stesse informazioni. Tuttavia, i genomi di una cellula epatica umana e di una cellula epatica di topo contengono ciascuno informazioni distinte. Nel frattempo, il trascrittoma contiene informazioni sulle attività funzionali che più probabilmente vengono svolte attualmente a partire dalle informazioni genomiche, e il proteoma, come parte del trascrittoma, rappresenta informazioni sulle attività funzionali effettivamente svolte. Le sostanze che svolgono direttamente un "lavoro" essenziale negli organismi viventi, come la catalizzazione di reazioni biochimiche, sono le proteine che compongono il proteoma.
Gli esseri umani possiedono oltre 20,000 proteine distinte e le cellule umane, a seconda del tipo, possiedono diverse combinazioni di queste proteine. Vale a dire, mentre alcune proteine si trovano comunemente nelle cellule della pelle, nelle cellule nervose, nelle cellule muscolari, ecc., altre proteine si trovano solo in specifici tipi di cellule. Le cellule subiscono un processo chiamato differenziazione, in cui un tipo di cellula si trasforma in un altro in risposta a stimoli esterni o a un programma intrinseco. Quando le cellule cambiano attraverso la differenziazione, cambia anche la combinazione di proteine che possiedono. Mentre la differenziazione cellulare è osservata in modo evidente durante lo sviluppo individuale, anche il processo mediante il quale le cellule normali si trasformano in cellule tumorali può essere inteso come un processo di differenziazione.
Consideriamo un caso in cui la ricerca basata sulla proteomica viene applicata alle cellule tumorali e alle cellule normali di un paziente. Il confronto tra i proteomi delle cellule tumorali e delle cellule normali consente di identificare proteine i cui livelli sono cambiati nelle cellule tumorali rispetto alle cellule normali. Gli scienziati identificano queste proteine come potenziali nuovi bersagli terapeutici per il trattamento del cancro e proseguono la ricerca su di esse. Le proteine i cui livelli sono aumentati nelle cellule tumorali rispetto alle cellule normali possono essere candidate come oncogeni, mentre le proteine i cui livelli sono diminuiti nelle cellule tumorali rispetto alle cellule normali possono essere candidate come proteine oncosoppressori.
Come avviene il processo di identificazione di quali delle oltre 20,000 proteine umane scoperte siano costituite? Le proteine sono costituite da 20 tipi di amminoacidi legati in una sequenza lineare, con ogni proteina che in media contiene circa 500 amminoacidi. Poiché proteine diverse hanno sequenze amminoacidiche diverse, conoscere la sequenza amminoacidica di una proteina specifica consente di determinarne l'identità.
Esistono diversi metodi sperimentali per determinare la sequenza amminoacidica di una proteina, uno dei quali è l'analisi del peso molecolare dei peptidi. Questa consiste nel trattare una proteina sconosciuta con tripsina per scinderla in peptidi – frammenti composti in media da circa 10 amminoacidi – e quindi misurare il peso molecolare di ciascun peptide. Poiché la tripsina riconosce specifici amminoacidi per la scissione, è possibile prevedere dove avverrà la scissione tra gli amminoacidi. Infatti, i dati dell'analisi proteomica vengono presentati numericamente come valori di peso molecolare dei peptidi e abbondanza relativa dei peptidi. Poiché le sequenze amminoacidiche e i pesi molecolari di tutte le proteine umane sono già noti, i risultati dell'analisi del peso molecolare dei peptidi ottenuti trattando i proteomi delle cellule tumorali e delle cellule normali con tripsina possono essere utilizzati per identificare proteine bersaglio terapeutiche candidate.
