Кіріспе
Молекулалық биологияда интерактом – белгілі бір жасушадағы молекулалық өзара әрекеттесулердің толық жиынтығы. Бұл термин молекулалар арасындағы физикалық өзара әрекеттесулерді (мысалы, ақуыздар арасындағы, соның ішінде ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесулер, ААӨӘ; немесе шағын молекулалар мен ақуыздар арасындағы) нақтылайды, бірақ гендер арасындағы тікелей емес өзара әрекеттесулер жиынтығын да (гендік өзара әрекеттесулер) сипаттауы мүмкін. "Интерактом" сөзін 1999 жылы Бернард Жак басқарыған француз ғалымдары ойлап тапты. Математикалық тұрғыдан интерактомдар көбінесе графиктер түрінде бейнеленеді. Интерактомдарды биологиялық желілер деп атауға болады, алайда оларды нейрондық желілер немесе тағамдық тізбектер сияқты басқа желілермен шатастырмау керек.
In molecular biology, an interactome is the whole set of molecular interactions in a particular cell. The term specifically refers to physical interactions among molecules (such as those among proteins, also known as protein–protein interactions, PPIs; or between small molecules and proteins) but can also describe sets of indirect interactions among genes (genetic interactions). The word "interactome" was originally coined in 1999 by a group of French scientists headed by Bernard Jacq. Mathematically, interactomes are generally displayed as graphs. Though interactomes may be described as biological networks, they should not be confused with other networks such as neural networks or food webs.
Молекулалық өзара іс-қимыл желілері
Молекулалық өзара әрекеттесулер әртүрлі биохимиялық отбасыларға жататын молекулалар арасында (ақуыздар, нуклеин қышқылы, липидтер, көмірсулар және т.б.) және сондай-ақ бір отбасының ішінде де болуы мүмкін. Мұндай молекулалар физикалық өзара әрекеттесу арқылы байланысқан кезде, олар молекулалық өзара әрекеттесу желілерін құрайды, олар әдетте қатысатын қосылыстардың сипатына сәйкес жіктеледі. Көбінесе, интерактом – ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесу (PPI) желісіне (PIN) немесе оның ішкі топтарына жатқызылады. Мысалы, Sirt 1 ақуыздық интерактомы және Sirt отбасының екінші реттік интерактомы – бұл Sirt 1 және оның тікелей өзара әрекеттесетін ақуыздарын қамтитын желі, ал екінші реттік интерактом көршілердің екінші дәрежесіне дейінгі (көршілердің көршілері) өзара әрекеттесуін көрсетеді. Интерактомның тағы бір кеңінен зерттелген түрі – ақуыз-ДНК интерактомы, сондай-ақ гендік реттеу желісі деп те аталады, ол транскрипция факторлары, хроматин реттеуші ақуыздар және олардың мақсатты гендері құрайтын желі. Тіпті метаболикалық желілерді де молекулалық өзара әрекеттесу желілері деп қарастыруға болады: метаболиттер, яғни жасушадағы химиялық қосылыстар, ферменттер арқылы бір-біріне айналады, олар өз субстраттарын физикалық байланыс арқылы байланыстыруы керек. Шындығында, барлық интерактом түрлері өзара байланысты. Мысалы, ақуыз интерактомдарында көптеген ферменттер бар, олар өз кезегінде биохимиялық желілерді құрайды. Сол сияқты, гендік реттеу желілері ақуыздық өзара әрекеттесу желілерімен және сигналдық желілермен үлкен дәрежеде үйлеседі.
Өлшемі
Организмнің интерактомының мөлшері, геном мөлшерінен гөрі, организмнің биологиялық күрделілігімен жақсы сәйкес келеді деген ұсыныс бар. Бірнеше түрлер үшін бірнеше мыңдаған екілік өзара әрекеттесулерді қамтитын ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесу карталары қазір қолжетімді болғанымен, олардың ешқайсысы толыққанды емес және интерактомдардың мөлшері әлі де даулы мәселе болып қалуда.
Ашытқы
Ашытқының интерактомы, яғни *Saccharomyces cerevisiae* ақуыздарының арасындағы барлық ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесулері 10 000 мен 30 000 аралығында екені бағаланды. Шамамен 20 000 өзара әрекеттесу болуы мүмкін. Көбірек санды бағалаулар жиі жанама немесе болжамды өзара әрекеттесулерді қамтиды, көбінесе аффиндік тазалау/массалық спектрометрия (AP/MS) зерттеулерінен алынған.
Интерактомика
Интерактомика – биоинформатика мен биологияның қабаттасқан саласы, ол жасуша ішіндегі белоктар мен басқа молекулалар арасындағы өзара әрекеттесуді және осы әрекеттесулердің салдарларын зерттейді. Сондықтан интерактомика түрлер арасында және түрлер ішіндегі өзара әрекеттесу желілерін (яғни интерактомаларды) салыстыруға, осы желілердің қасиеттері қалай сақталады немесе өзгеріп отырады екенін анықтауға бағытталған. Интерактомика – биожүйе немесе организмге жоғарыдан қарап, жалпы картинаны көретін "жоғарыдан төменге" жүйелік биологияның мысалы. Геномдық және протеомдық деректердің кең көлемді жиынтығы жиналып, әртүрлі молекулалар арасындағы байланыстар анықталады. Осы деректер негізінде осы молекулалар арасындағы кері байланыс туралы жаңа гипотезалар формулировкаланады. Бұл гипотезалар жаңа эксперименттер арқылы тексерілуі мүмкін.
Интерактомдарды карталаудың тәжірибелік әдістері
Интерактомдарды зерттеу интерактомика деп аталады. Ақуыз желісінің негізгі бірлігі – ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуі (PPI). PPI-ді зерттеудің көптеген әдістері болғанымен, олардың салыстырмалы түрде азы ғана толық интерактомдарды карталау үшін кең ауқымда қолданылған. Ашытқы екі гибридтік жүйесі (Y2H) екі ақуыздың арасындағы екілік өзара әрекеттесуді зерттеуге ыңғайлы. Аффиниттік тазарту және одан кейінгі массалық спектрометрия ақуыз кешенін анықтауға қолайлы. Екі әдіс те жоғары өнімділік (HTP) режимінде қолданылуы мүмкін. Ашытқы екі гибридтік скринингтері бір уақытта және бір жерде экспрессияланбайтын ақуыздар арасында жалған оң өзара әрекеттесулерге мүмкіндік береді; аффиниттік түсіру массалық спектрометриясының бұл кемшілігі жоқ және ол қазіргі алтын стандарт болып табылады. Ашытқы екі гибридтік жүйесінен алынған деректер ақуыздардың жабысқақ өзара әрекеттесуге бейімділігін жақсы көрсетеді, ал аффиниттік түсіру массалық спектрометриясы функционалдық in vivo ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесулерін жақсы көрсетеді.
Интерактомдарды зерттеудің есептеу әдістері
Интерактом құрылғаннан кейін, оның қасиеттерін талдаудың көптеген тәсілдері бар. Дегенмен, мұндай талдаулардың екі маңызды мақсаты бар. Біріншіден, ғалымдар интерактомның жүйелік қасиеттерін, мысалы, оның өзара әрекеттесуінің топологиясын анықтауға тырысады. Екіншіден, зерттеулер жеке белоктарға және олардың желідегі атқаратын рөліне бағытталуы мүмкін. Мұндай талдаулар көбінесе биоинформатикалық әдістерді пайдалана отырып жүзеге асырылады және олардың ішінде мыналар бар:
Жақсылық тексеру
Біріншіден, интерактомның көлемі мен сапасын бағалау қажет. Эксперименталдық әдістердің шектеулеріне байланысты интерактомдар ешқашан толық болмайды. Мысалы, әдеттегі Y2H скринингтері интерактомдағы барлық өзара әрекеттесулердің шамамен 25% ғана анықтайтыны болжамдалған. Басқа әдістер, қатысқан ақуыздардың белгілі аннотацияларының ұқсастығын есептеу арқылы жалған оң нәтижелерді сүзіп тастайды немесе осы ақуыздардың субклеткалық орналасуын пайдаланып, өзара әрекеттесу мүмкіндігін анықтайды.
ППИ-ді болжау
[[Файл:Шизофрения PPI.jpg|400px|оң жақта|миниатюра|Шизофрения PPI. Сонымен қатар, ақуыздар мен олардың өзара әрекеттесулері эволюция барысында өзгереді, сондықтан жоғалуы немесе пайда болуы мүмкін. Дегенмен, көптеген интерактомалар болжамдалған, мысалы, Bacillus licheniformis интерактомы. Кейбір алгоритмдер құрылымдық кешендер туралы тәжірибелік деректерді, байланыс интерфейстерінің атомдық егжей-тегжейін пайдаланып, ақуыз-ақуыз кешендерінің және басқа ақуыз-молекула өзара әрекеттесулерінің толық атомдық модельдерін жасайды. Басқа алгоритмдер тек тізбектік ақпаратты қолданады, осылайша көптеген қателерге ұшырайтын, толыққанды, бейтарап өзара әрекеттесу желілерін құрайды. Кейбір әдістер машиналық оқытуды қолданады, олар өзара әрекеттесетін ақуыз жұптарының, өзара әрекеттеспейтін ақуыз жұптарынан жасушалық ко-локализация, гендік ко-экспрессия, екі ақуызды кодтайтын гендердің ДНК-дағы жақын орналасуы сияқты жұптық ерекшеліктері бойынша ерекшеленуін анықтайды. Random Forest ақуыз өзара әрекеттесуін болжау үшін ең тиімді машиналық оқыту әдісі болып табылды. Мұндай әдістер адам интерактомындағы, әсіресе мембраналық ақуыздардың интерактомындағы ақуыздардың өзара әрекеттесуін анықтау үшін қолданылған.
Белок функциясының болжамы
Белоктардың өзара әрекеттесу желілері белгісіз функциялары бар белоктардың қызметін болжау үшін қолданылып келеді. Бұл әдетте сипатталмаған белоктардың өзара әрекеттесетін белоктармен ұқсас функциялары бар деген болжамға негізделеді (әрекеттесу арқылы кінәлік). Мысалы, YbeB, белгісіз функциясы бар белок, рибосомалық белоктармен өзара әрекеттесетіні анықталды және кейіннен бактериялық және эукариотикалық (бірақ археялық емес) трансляцияға қатыстылығы дәлелденді. Мұндай болжамдар бірнеше өзара әрекеттесулерге негізделген болуы мүмкін, бірақ көбінесе бірнеше өзара әрекеттесулер табылады. Осылайша, өзара әрекеттесулердің толық желісін белоктардың функцияларын болжау үшін пайдалануға болады, себебі белгілі бір функциялар әдетте өзара әрекеттесушілердің арасында жиі кездеседі.
Ауырулар мен аурулар
Интерактомның топологиясы желідегі түйіндердің (ақуыздардың) немесе қабырғалардың (өзара әрекеттесулердің) жойылуы сияқты бұзылуларға желінің қалай реакция жасайтынын болжайды. Мұндай бұзылулар гендердің мутацияларынан, демек олардың ақуыздарынан туындауы мүмкін, ал желінің реакциясы ауру ретінде көрінеді. Желілік талдау аурулардың дәрілік нысандарын және биомаркерлерін анықтауға көмектеседі.
Желі құрылымы мен топологиясы
Қарым-қатынас желілерін график теориясының құралдарын қолдана отырып талдауға болады. Желінің қасиеттеріне градус таралымы, кластерлеу коэффициенттері, аралық орталықтық және тағы да басқалары жатады. Интерактомның ақуыздары арасындағы қасиеттердің таралуы интерактом желілерінің көбінесе масштабсыз топологияға ие екенін көрсетті, онда желі ішіндегі функционалдық модульдер мамандандырылған кіші желілерді көрсетеді. Мұндай модульдер сигналдық жол сияқты функционалдық немесе протеин кешені сияқты құрылымдық болуы мүмкін. Шындығында, интерактомдағы белок кешендерін анықтау қиын міндет, себебі желі өзі тұрақты кешеннің бар екенін тікелей көрсетпейді.
Interactome веб-серверлері
Protinfo PPC ақуыз-ақуыз кешендерінің атомдық 3D құрылымын болжайды. IBIS (сервер) ақуыздар үшін сақталған түрлі өзара әрекеттесулерді есептейді, болжайды және интеграциялайды.