Tento blogový príspevok skúma z hľadiska omického výskumu, ako sa kombinácie proteínov menia s diferenciáciou buniek a ako tieto zmeny súvisia s funkciami biologických systémov a nástupom ochorenia.
Jedným z kľúčových slov v moderných biologických vedách je omika. Na rozdiel od výskumu v oblasti biologických vied v minulosti, ktorý sa zameriaval na analýzu funkcie a štruktúry jednotlivých génov a proteínov, omika zahŕňa koncepty ako genomika (štúdium celého súboru génov alebo genómu v organizme alebo bunke), transkriptomika (štúdium celého súboru RNA alebo transkriptómu) a proteomika (štúdium celého súboru proteínov alebo proteómu).
Podľa teórie molekulárnej biológie sa iba časť genetickej informácie obsiahnutej v DNA prepisuje do RNA a iba časť tejto RNA sa prekladá do proteínu. Genóm špecifického biologického systému, ako je organizmus alebo bunka, obsahuje kompletnú genetickú informáciu pre všetky funkcie, ktoré je tento systém schopný vykonávať. Genóm ľudského systému a genóm iného systému, ako je napríklad ľudská pečeňová bunka, obsahujú rovnaké informácie. Genómy ľudskej pečeňovej bunky a myšej pečeňovej bunky však obsahujú odlišné informácie. Transkriptóm obsahuje informácie o funkčných aktivitách, ktoré sa s najväčšou pravdepodobnosťou aktuálne vykonávajú z genomických informácií, a proteóm ako súčasť transkriptómu predstavuje informácie o funkčných aktivitách, ktoré sa skutočne vykonávajú. Látky, ktoré priamo vykonávajú základnú „prácu“ v živých organizmoch, ako je katalýza biochemických reakcií, sú proteíny, ktoré tvoria proteóm.
Ľudia majú viac ako 20 000 odlišných proteínov a ľudské bunky, v závislosti od ich typu, majú rôzne kombinácie týchto proteínov. To znamená, že zatiaľ čo niektoré proteíny sa bežne nachádzajú v kožných bunkách, nervových bunkách, svalových bunkách atď., iné proteíny sa nachádzajú iba v špecifických typoch buniek. Bunky prechádzajú procesom nazývaným diferenciácia, pri ktorom sa jeden typ bunky transformuje na iný v reakcii na vonkajšie podnety alebo vrodený program. Keď sa bunky menia diferenciáciou, mení sa aj kombinácia proteínov, ktoré obsahujú. Zatiaľ čo diferenciácia buniek sa výrazne pozoruje počas individuálneho vývoja, proces, ktorým sa normálne bunky transformujú na rakovinové bunky, možno chápať aj ako proces diferenciácie.
Zoberme si prípad, v ktorom sa výskum založený na proteomike aplikuje na rakovinové bunky pacienta a normálne bunky. Porovnanie proteómov rakovinových buniek a normálnych buniek umožňuje identifikáciu proteínov, ktorých hladiny sa v rakovinových bunkách zmenili v porovnaní s normálnymi bunkami. Vedci identifikujú tieto proteíny ako potenciálne nové terapeutické ciele pre liečbu rakoviny a pokračujú v ich výskume. Bielkoviny, ktorých hladiny sú v rakovinových bunkách zvýšené v porovnaní s normálnymi bunkami, môžu byť kandidátmi na onkogény, zatiaľ čo proteíny, ktorých hladiny sú v rakovinových bunkách znížené v porovnaní s normálnymi bunkami, môžu byť kandidátmi na proteíny potláčajúce nádory.
Ako teda prebieha proces identifikácie, ktoré z viac ako 20 000 ľudských proteínov tieto objavené proteíny pochádzajú? Bielkoviny pozostávajú z 20 typov aminokyselín spojených v lineárnej sekvencii, pričom každý proteín má v priemere približne 500 aminokyselín. Keďže rôzne proteíny majú rôzne aminokyselinové sekvencie, znalosť aminokyselinovej sekvencie konkrétneho proteínu umožňuje určiť jeho identitu.
Existuje niekoľko experimentálnych metód na určenie aminokyselinovej sekvencie proteínu, jednou z nich je analýza molekulovej hmotnosti peptidu. Táto metóda zahŕňa ošetrenie neznámeho proteínu trypsínom, aby sa rozštiepil na peptidy – fragmenty s priemernou dĺžkou približne 10 aminokyselín – a následné meranie molekulovej hmotnosti každého peptidu. Keďže trypsín rozpoznáva špecifické aminokyseliny na štiepenie, je možné predpovedať, kde k štiepeniu dôjde medzi aminokyselinami. Údaje z proteomickej analýzy sú v skutočnosti prezentované numericky ako hodnoty molekulovej hmotnosti peptidov a relatívne zastúpenie peptidov. Keďže aminokyselinové sekvencie a molekulové hmotnosti všetkých ľudských proteínov sú už známe, výsledky analýzy molekulovej hmotnosti peptidov získané ošetrením proteómov rakovinových buniek a normálnych buniek trypsínom možno použiť na identifikáciu kandidátskych terapeutických cieľových proteínov.
