In deze blogpost onderzoeken we, vanuit een omics-onderzoeksperspectief, hoe eiwitcombinaties veranderen naarmate cellen differentiëren en hoe deze veranderingen verband houden met de functies van biologische systemen en het ontstaan van ziekten.
Een van de belangrijkste sleutelwoorden in de moderne levenswetenschappen is omics. In tegenstelling tot eerder onderzoek in de levenswetenschappen, gericht op het analyseren van de functie en structuur van individuele genen en eiwitten, omvat omics concepten zoals genomics (het bestuderen van de volledige set genen, oftewel het genoom, in een organisme of cel), transcriptomics (het bestuderen van de volledige set RNA, oftewel het transcriptoom), en proteomics (het bestuderen van de volledige set eiwitten, oftewel het proteoom).
Volgens de theorie van de moleculaire biologie wordt slechts een deel van de genetische informatie in DNA getranscribeerd naar RNA, en slechts een deel van dat RNA wordt vertaald naar eiwit. Het genoom van een specifiek biologisch systeem, zoals een organisme of een cel, bevat de volledige genetische informatie voor alle functies die dat systeem kan uitvoeren. Het genoom van het menselijke systeem en het genoom van een ander systeem, zoals een menselijke levercel, bevatten dezelfde informatie. Het genoom van een menselijke levercel en een muizenlevercel bevat echter elk andere informatie. Het transcriptoom bevat informatie over de functionele activiteiten die waarschijnlijk op basis van de genomische informatie op dat moment worden uitgevoerd, en het proteoom, als onderdeel van het transcriptoom, vertegenwoordigt informatie over de functionele activiteiten die daadwerkelijk worden uitgevoerd. De stoffen die direct essentieel 'werk' verrichten in levende organismen, zoals het katalyseren van biochemische reacties, zijn de eiwitten waaruit het proteoom bestaat.
Mensen bezitten meer dan 20,000 verschillende eiwitten, en menselijke cellen bevatten, afhankelijk van hun type, verschillende combinaties van deze eiwitten. Dat wil zeggen dat sommige eiwitten vaak voorkomen in huidcellen, zenuwcellen, spiercellen, enz., terwijl andere eiwitten alleen in specifieke celtypen voorkomen. Cellen ondergaan een proces dat differentiatie wordt genoemd, waarbij het ene celtype in een ander verandert als reactie op externe stimuli of een inherent programma. Wanneer cellen veranderen door differentiatie, verandert ook de combinatie van eiwitten die ze bezitten. Hoewel celdifferentiatie prominent aanwezig is tijdens de individuele ontwikkeling, kan het proces waarbij normale cellen transformeren tot kankercellen ook als een differentiatieproces worden beschouwd.
Beschouw een geval waarin proteomics-gebaseerd onderzoek wordt toegepast op de kankercellen en normale cellen van een patiënt. Door de proteomen van kankercellen en normale cellen te vergelijken, kunnen eiwitten worden geïdentificeerd waarvan de niveaus in kankercellen zijn veranderd ten opzichte van normale cellen. Wetenschappers identificeren deze eiwitten als potentiële nieuwe therapeutische targets voor kankerbehandeling en doen er verder onderzoek naar. Eiwitten waarvan de niveaus in kankercellen verhoogd zijn in vergelijking met normale cellen, kunnen kandidaat zijn voor oncogenen, terwijl eiwitten waarvan de niveaus in kankercellen verlaagd zijn in vergelijking met normale cellen, kandidaat kunnen zijn voor tumorsuppressoreiwitten.
Hoe verloopt het proces om te identificeren welke van de meer dan 20,000 menselijke eiwitten deze ontdekte eiwitten zijn? Eiwitten bestaan uit 20 soorten aminozuren die in een lineaire volgorde aan elkaar gekoppeld zijn, waarbij elk eiwit gemiddeld ongeveer 500 aminozuren telt. Omdat verschillende eiwitten verschillende aminozuursequenties hebben, kan de identiteit van een specifiek eiwit worden bepaald door de aminozuursequentie te kennen.
Er bestaan verschillende experimentele methoden om de aminozuursequentie van een eiwit te bepalen, waaronder peptidemolecuulgewichtanalyse. Dit houdt in dat een onbekend eiwit met trypsine wordt behandeld om het te splitsen in peptiden – fragmenten van gemiddeld ongeveer 10 aminozuren – en vervolgens het molecuulgewicht van elk peptide wordt gemeten. Omdat trypsine specifieke aminozuren herkent voor splitsing, is het mogelijk om te voorspellen waar de splitsing tussen aminozuren zal plaatsvinden. Proteomische analysegegevens worden numeriek weergegeven als waarden voor het molecuulgewicht van peptiden en de relatieve abundantie van peptiden. Omdat de aminozuursequenties en molecuulgewichten van alle menselijke eiwitten al bekend zijn, kunnen de resultaten van de molecuulgewichtanalyse van peptiden die zijn verkregen door de proteomen van kankercellen en normale cellen met trypsine te behandelen, worden gebruikt om potentiële therapeutische doelwiteiwitten te identificeren.
