W tym wpisie na blogu, z perspektywy badań omikowych, analizujemy, w jaki sposób połączenia białek zmieniają się w miarę różnicowania się komórek i jak te zmiany odnoszą się do funkcji układów biologicznych i początku choroby.
Jednym z kluczowych słów kluczowych we współczesnych naukach o życiu jest omika. W przeciwieństwie do wcześniejszych badań w naukach o życiu, które koncentrowały się na analizie funkcji i struktury pojedynczych genów i białek, omika obejmuje takie koncepcje jak genomika (badanie całego zestawu genów, czyli genomu, w organizmie lub komórce), transkryptomika (badanie całego zestawu RNA, czyli transkryptomu) oraz proteomika (badanie całego zestawu białek, czyli proteomu).
Zgodnie z teorią biologii molekularnej, tylko część informacji genetycznej zawartej w DNA jest transkrybowana na RNA, a tylko część tego RNA jest transkrypowana na białko. Genom konkretnego układu biologicznego, takiego jak organizm lub komórka, zawiera kompletną informację genetyczną dotyczącą wszystkich funkcji, które dany układ jest w stanie wykonywać. Genom układu ludzkiego i genom innego układu, takiego jak ludzka komórka wątroby, zawierają tę samą informację. Jednak genomy ludzkiej komórki wątroby i komórki wątroby myszy zawierają odrębną informację. Tymczasem transkryptom zawiera informacje o czynnościach funkcjonalnych, które najprawdopodobniej są obecnie wykonywane na podstawie informacji genomowej, a proteom, jako część transkryptomu, reprezentuje informacje o czynnościach funkcjonalnych faktycznie wykonywanych. Substancje, które bezpośrednio wykonują istotną „pracę” w organizmach żywych, taką jak katalizowanie reakcji biochemicznych, to białka tworzące proteom.
Ludzie posiadają ponad 20 000 różnych białek, a komórki ludzkie, w zależności od rodzaju, posiadają różne kombinacje tych białek. Oznacza to, że podczas gdy niektóre białka powszechnie występują w komórkach skóry, komórkach nerwowych, komórkach mięśniowych itp., inne białka występują tylko w określonych typach komórek. Komórki przechodzą proces zwany różnicowaniem, w którym jeden typ komórek przekształca się w inny w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne lub wrodzony program. Kiedy komórki zmieniają się w procesie różnicowania, zmienia się również kombinacja posiadanych przez nie białek. Chociaż różnicowanie komórek jest wyraźnie obserwowane podczas rozwoju osobniczego, proces, w którym normalne komórki przekształcają się w komórki nowotworowe, można również rozumieć jako proces różnicowania.
Rozważmy przypadek, w którym badania oparte na proteomice są stosowane do komórek nowotworowych i komórek zdrowych pacjenta. Porównanie proteomów komórek nowotworowych i komórek zdrowych pozwala na identyfikację białek, których poziom w komórkach nowotworowych uległ zmianie w porównaniu z komórkami zdrowymi. Naukowcy identyfikują te białka jako potencjalne nowe cele terapeutyczne w leczeniu raka i prowadzą nad nimi badania. Białka, których poziom w komórkach nowotworowych jest podwyższony w porównaniu z komórkami zdrowymi, mogą być kandydatami na onkogeny, natomiast białka, których poziom w komórkach nowotworowych jest obniżony w porównaniu z komórkami zdrowymi, mogą być kandydatami na białka supresorowe nowotworów.
Jak zatem przebiega proces identyfikacji, które z ponad 20 000 ludzkich białek zostały odkryte? Białka składają się z 20 rodzajów aminokwasów połączonych liniową sekwencją, przy czym każde białko ma średnio około 500 aminokwasów. Ponieważ różne białka mają różne sekwencje aminokwasów, znajomość sekwencji aminokwasów danego białka pozwala na ustalenie jego tożsamości.
Istnieje kilka metod eksperymentalnych określania sekwencji aminokwasowej białka, a jedną z nich jest analiza masy cząsteczkowej peptydów. Polega ona na traktowaniu nieznanego białka trypsyną w celu rozszczepienia go na peptydy – fragmenty o średniej długości około 10 aminokwasów – a następnie zmierzeniu masy cząsteczkowej każdego peptydu. Ponieważ trypsyna rozpoznaje specyficzne aminokwasy do rozszczepienia, możliwe jest przewidzenie, gdzie nastąpi rozszczepienie między aminokwasami. Dane z analizy proteomicznej są prezentowane liczbowo jako wartości masy cząsteczkowej peptydów i względna liczebność peptydów. Ponieważ sekwencje aminokwasowe i masy cząsteczkowe wszystkich białek ludzkich są już znane, wyniki analizy masy cząsteczkowej peptydów uzyskane poprzez traktowanie proteomów komórek nowotworowych i komórek normalnych trypsyną mogą być wykorzystane do identyfikacji potencjalnych białek docelowych dla terapii.
