Dette blogginnlegget undersøker, fra et omikkforskningsperspektiv, hvordan proteinkombinasjoner endres når celler differensierer, og hvordan disse endringene er relatert til funksjonene til biologiske systemer og sykdomsutbrudd.
Et av kjernenøkkelordene i moderne livsvitenskap er omikk. I motsetning til tidligere livsvitenskapelig forskning som fokuserte på å analysere funksjonen og strukturen til individuelle gener og proteiner, omfatter omikk konsepter som genomikk (studier av hele settet med gener, eller genomet, i en organisme eller celle), transkriptomikk (studier av hele settet med RNA, eller transkriptom) og proteomikk (studier av hele settet med proteiner, eller proteom).
I følge molekylærbiologiteorien blir bare en del av den genetiske informasjonen i DNA transkribert til RNA, og bare en del av dette RNA-et blir oversatt til protein. Genomet til et spesifikt biologisk system, for eksempel en organisme eller en celle, inneholder den fullstendige genetiske informasjonen for alle funksjoner det systemet er i stand til å utføre. Genomet til det menneskelige systemet og genomet til et annet system, for eksempel en menneskelig levercelle, inneholder den samme informasjonen. Imidlertid inneholder genomene til en menneskelig levercelle og en muselevercelle hver sin distinkte informasjon. Samtidig inneholder transkriptomet informasjon om de funksjonelle aktivitetene som mest sannsynlig utføres for øyeblikket fra den genomiske informasjonen, og proteomet, som en del av transkriptomet, representerer informasjon om de funksjonelle aktivitetene som faktisk utføres. Stoffene som direkte utfører essensielt «arbeid» i levende organismer, for eksempel å katalysere biokjemiske reaksjoner, er proteinene som utgjør proteomet.
Mennesker har over 20 000 forskjellige proteiner, og menneskeceller har, avhengig av type, forskjellige kombinasjoner av disse proteinene. Det vil si at mens noen proteiner ofte finnes i hudceller, nerveceller, muskelceller osv., finnes andre proteiner bare i spesifikke celletyper. Celler gjennomgår en prosess som kalles differensiering, der én celletype transformeres til en annen som respons på ytre stimuli eller et iboende program. Når celler endrer seg gjennom differensiering, endres også kombinasjonen av proteiner de har. Selv om celledifferensiering observeres tydelig under individuell utvikling, kan prosessen der normale celler transformeres til kreftceller også forstås som en differensieringsprosess.
Tenk deg et tilfelle der proteomikkbasert forskning anvendes på en pasients kreftceller og normale celler. Sammenligning av proteomene i kreftceller og normale celler gjør det mulig å identifisere proteiner hvis nivåer har endret seg i kreftceller i forhold til normale celler. Forskere identifiserer disse proteinene som potensielle nye terapeutiske mål for kreftbehandling og forsker på dem. Proteiner hvis nivåer er økte i kreftceller sammenlignet med normale celler kan være kandidater for onkogener, mens proteiner hvis nivåer er reduserte i kreftceller sammenlignet med normale celler kan være kandidater for tumorsuppressorproteiner.
Så hvordan foregår prosessen med å identifisere hvilke av de over 20 000 menneskelige proteinene disse oppdagede proteinene er? Proteiner består av 20 typer aminosyrer koblet sammen i en lineær sekvens, hvor hvert protein i gjennomsnitt har omtrent 500 aminosyrer. Siden forskjellige proteiner har forskjellige aminosyresekvenser, kan det å kjenne aminosyresekvensen til et spesifikt protein bestemmes.
Det finnes flere eksperimentelle metoder for å bestemme et proteins aminosyresekvens, hvorav én er peptidmolekylvektanalyse. Dette innebærer å behandle et ukjent protein med trypsin for å spalte det i peptider – fragmenter med et gjennomsnitt på omtrent 10 aminosyrer – og deretter måle molekylvekten til hvert peptid. Siden trypsin gjenkjenner spesifikke aminosyrer for spalting, er det mulig å forutsi hvor spaltingen vil skje mellom aminosyrene. Proteomiske analysedata presenteres faktisk numerisk som peptidmolekylvektverdier og den relative forekomsten av peptider. Siden aminosyresekvensene og molekylvektene til alle humane proteiner allerede er kjent, kan resultatene av molekylvektanalysen av peptider oppnådd ved å behandle proteomene til kreftceller og normale celler med trypsin brukes til å identifisere kandidatterapeutiske målproteiner.
