Введение
Полный набор молекулярных взаимодействий в биологической клетке. В молекулярной биологии интерактом – это совокупность всех молекулярных взаимодействий в конкретной клетке. Этот термин относится, прежде всего, к физическим взаимодействиям между молекулами (например, между белками, также известными как белок-белковые взаимодействия, PPI; или между малыми молекулами и белками), но может также описывать наборы косвенных взаимодействий между генами (генетические взаимодействия). Термин "интерактом" был впервые предложен в 1999 году группой французских ученых под руководством Бернара Жака. Математически интерактомы обычно представляются в виде графов. Хотя интерактомы можно описать как биологические сети, их не следует путать с другими типами сетей, такими как нейронные сети или пищевые цепи.
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.
Сети молекулярного взаимодействия
Молекулярные взаимодействия могут возникать между молекулами, принадлежащими к различным биохимическим семействам (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и т. д.), а также внутри одного семейства. Когда такие молекулы связаны физическими взаимодействиями, они образуют молекулярные сети взаимодействия, которые обычно классифицируются по природе вовлеченных соединений. Чаще всего, термин "интерактом" относится к сети белко-белковых взаимодействий (PPI) (PIN) или её подмножествам. Например, интерактом белка Sirt1 и интерактом второго порядка семейства Sirt – это сеть, включающая Sirt1 и его непосредственно взаимодействующие белки, в то время как интерактом второго порядка иллюстрирует взаимодействия до второго уровня соседства (соседи соседей). Другой широко изучаемый тип интерактома – это интерактом белок-ДНК, также называемый сетью регуляции генов, сеть, образованная факторами транскрипции, белками, регулирующими хроматин, и их генами-мишенями. Даже метаболические сети можно рассматривать как сети молекулярных взаимодействий: метаболиты, то есть химические соединения в клетке, преобразуются друг в друга ферментами, которые должны физически связывать свои субстраты. Фактически, все типы интерактомов взаимосвязаны. Например, интерактомы белков содержат множество ферментов, которые, в свою очередь, формируют биохимические сети. Аналогично, сети регуляции генов существенно перекрываются с сетями белковых взаимодействий и сигнальными сетями.
Размер
Было предложено, что размер интерактома организма лучше коррелирует с биологической сложностью организма, чем размер генома. Несмотря на то, что карты белок-белковых взаимодействий, содержащие несколько тысяч бинарных взаимодействий, теперь доступны для ряда видов, ни одна из них на данный момент не является полной, и размер интерактомов до сих пор остается предметом дискуссий.
Дрожжи
Интерактом дрожжей, то есть совокупность всех белок-белковых взаимодействий среди белков Saccharomyces cerevisiae, по оценкам, насчитывает от 10 000 до 30 000 взаимодействий. Вероятно, разумная оценка составляет около 20 000 взаимодействий. Более высокие оценки часто включают непрямые или предсказанные взаимодействия, полученные, в частности, в исследованиях с использованием аффинной очистки и масс-спектрометрии (AP/MS).
Интерактомика
Интерактомика – это дисциплина на стыке биоинформатики и биологии, изучающая взаимодействия и последствия этих взаимодействий между белками и другими молекулами внутри клетки. Таким образом, интерактомика стремится сравнивать такие сети взаимодействий (то есть интерактомы) между разными видами и внутри одного вида, чтобы выявить, как характеристики этих сетей сохраняются или изменяются. Интерактомика является примером системной биологии "сверху вниз", которая рассматривает биосистему или организм в целом. Собираются обширные геномные и протеомные данные, на основе которых выявляются взаимосвязи между различными молекулами. На основании этих данных формулируются новые гипотезы об обратной связи между этими молекулами, которые затем могут быть проверены экспериментально.
Экспериментальные методы для картирования интерактомов
Изучение интерактомов называется интерактомикой. Основной единицей белковой сети является белково-белковое взаимодействие (ББВ). Хотя существует множество методов изучения ББВ, лишь немногие из них использовались в больших масштабах для картирования целых интерактомов. Система двух гибридов дрожжей (Y2H) подходит для изучения бинарных взаимодействий между двумя белками одновременно. Аффинная очистка с последующей масс-спектрометрией подходит для идентификации белковых комплексов. Оба метода могут использоваться в высокопроизводительном (HTP) режиме. Экранирование двух гибридов дрожжей может выявлять ложноположительные взаимодействия между белками, которые никогда не экспрессируются одновременно и в одном и том же месте; масс-спектрометрия с аффинным захватом не имеет этого недостатка и в настоящее время является золотым стандартом. Данные, полученные с помощью системы двух гибридов дрожжей, лучше отражают неспецифическую склонность к "липким" взаимодействиям, в то время как масс-спектрометрия с аффинным захватом лучше отражает функциональные белково-белковые взаимодействия in vivo.
Вычислительные методы изучения интерактомов
После создания интерактома существует множество способов анализа его характеристик. Однако у таких анализов есть две важные цели. Во-первых, ученые стремятся выяснить системные свойства интерактомов, например, топологию взаимодействий в нем. Во-вторых, исследования могут быть сосредоточены на отдельных белках и их роли в сети. Такие анализы в основном проводятся с использованием биоинформатических методов и включают в себя, помимо прочего, следующее:
Валидация
Во-первых, необходимо оценить охват и качество интерактома. Интерактомы никогда не бывают полными из-за ограничений экспериментальных методов. Например, по оценкам, типичные Y2H-скрининги обнаруживают лишь около 25% всех взаимодействий в интерактоме. Другие методы отсеивают ложноположительные результаты, вычисляя сходство известных аннотаций вовлеченных белков или определяя вероятность взаимодействия на основе их субклеточной локализации.
Прогнозирование ИПП
[Файл:Шизофрения PPI.jpg|400px|right|thumb | Интерактома шизофрении. Кроме того, белки и их взаимодействия изменяются в ходе эволюции, и, следовательно, могли быть утрачены или приобретены. Тем не менее, было предсказано множество интерактом, например, интерактом Bacillus licheniformis. Некоторые алгоритмы используют экспериментальные данные о структурных комплексах, атомные детали интерфейсов связывания и создают подробные атомные модели белково-белковых комплексов, а также других белок-молекулярных взаимодействий. Другие алгоритмы используют только информацию о последовательности, тем самым создавая необъективные полные сети взаимодействий с большим количеством ошибок. Некоторые методы используют машинное обучение для различения взаимодействующих белковых пар и не взаимодействующих белковых пар на основе парных признаков, таких как клеточная колокализация, коэкспрессия генов, степень близости расположения генов, кодирующих два белка, на ДНК, и так далее. Случайный лес был признан наиболее эффективным методом машинного обучения для предсказания белковых взаимодействий. Эти методы применялись для выявления белковых взаимодействий в человеческом интерактоме, в частности, интерактоме мембранных белков.
Прогнозирование функции белка
Сети взаимодействия белков использовались для предсказания функций белков с неизвестными функциями. Это обычно основывается на предположении, что нехарактеризованные белки обладают схожими функциями с белками, с которыми они взаимодействуют (принцип виновности по ассоциации). Например, YbeB, белок с неизвестной функцией, был обнаружен взаимодействующим с рибосомными белками и впоследствии показал свою вовлеченность в бактериальный и эукариотический (но не археальный) синтез белка. Хотя такие предсказания могут основываться на единичных взаимодействиях, как правило, обнаруживается несколько взаимодействий. Таким образом, вся сеть взаимодействий может быть использована для предсказания функций белков, поскольку определенные функции обычно преобладают среди взаимодействующих партнеров.
Расстройства и болезни
Топология интерактома позволяет делать определенные прогнозы относительно того, как сеть реагирует на нарушение (например, удаление) узлов (белков) или связей (взаимодействий). Такие нарушения могут быть вызваны мутациями генов и, как следствие, их белков, а реакция сети может проявляться как заболевание. Анализ сети может выявить мишени для лекарств и биомаркеры заболеваний.
Структура и топология сети
Сети взаимодействия могут быть проанализированы с использованием инструментов теории графов. Свойства сети включают распределение степеней, коэффициенты кластеризации, центральность между узлами и многие другие. Распределение этих свойств среди белков интерактома показало, что сети интерактомов часто обладают масштабно-свободной топологией, где функциональные модули внутри сети указывают на специализированные подсети. Эти модули могут быть функциональными, например, сигнальный путь, или структурными, например, белковый комплекс. На самом деле, идентификация белковых комплексов в интерактоме является сложной задачей, поскольку сама по себе сеть не раскрывает напрямую наличие стабильного комплекса.
Веб-серверы Interactome
Protinfo PPC предсказывает атомную 3D-структуру комплексов белков. IBIS (сервер) сообщает о, предсказывает и интегрирует различные типы консервативных взаимодействий для белков.