Введение
Нейропротеомика - это наука о белковых комплексах и видах, составляющих нервную систему. Эти белки взаимодействуют, чтобы нейроны соединялись таким образом, чтобы создать сложности, которыми славится нервная система. Нейропротеомика - сложная область, в которой предстоит пройти долгий путь с точки зрения профилирования всей нейронной протеомы. Это относительно новая область, которая имеет много применений в терапии и науке. До сих пор были отображены только небольшие подмножества нейронной протеомы, и только тогда, когда они применяются к белкам, участвующим в синапсе.
Происхождение
Слово "протеомика" впервые использовалось в 1994 году Марком Уилкинсом в качестве исследования "белкового эквивалента генома". Он определяется как все белки, экспрессируемые в биологической системе при определенных физиологических условиях в определенный момент времени. Он может изменяться при любом биохимическом изменении, и поэтому его можно определить только при определенных условиях. Нейропротеомика является подмножеством этой области, которая занимается сложностью и многосистемным происхождением неврологических заболеваний. Неврологическая функция основана на взаимодействии многих белков различного происхождения, поэтому требует систематического изучения подсистем в рамках своей протеомической структуры.
Современность
Нейропротеомика имеет сложную задачу определения на молекулярном уровне путей сознания, чувств и себя. Неврологические расстройства уникальны тем, что не всегда проявляются внешние симптомы. Определение расстройств становится сложным, и поэтому нейропротеомика является шагом в правильном направлении по определению биомаркеров, которые могут быть использованы для выявления заболеваний. Не только в этой области необходимо составить карту различных возможных белков из генома, но и существует множество модификаций, которые происходят после транскрипции, которые также влияют на функцию. Поскольку нейроны - динамичные структуры, меняющиеся с каждым потенциалом действия, проходящим через них, нейропротеомика предлагает наибольший потенциал для определения молекулярного шаблона их функции. Геном предлагает статическую дорожную карту клетки, в то время как протеомика может предложить взгляд на структуры, меньшие, чем клетка, из-за ее специфической природы в каждый момент времени.
Разделение белков
Для того, чтобы нейропротеомика функционировала правильно, белки должны быть разделены в зависимости от протеомы, из которой они произошли. Например, один набор может быть в нормальных условиях, в то время как другой может быть в болезненных условиях. Белоки обычно отделяют с помощью двухмерного электрофореза в геле полиакриламида (2D PAGE). Для этой техники белки пропускают через неподвижный гель с градиентом рН до тех пор, пока они не остановятся в точке, где их чистый заряд нейтрален. После разделения зарядом в одном направлении, натриевый додецилсульфат пропускается в другом направлении для разделения белков по размеру. С помощью этой техники создается двумерная карта, которая может быть использована для сопоставления дополнительных белков позже. Обычно можно сопоставить функцию белка, идентифицировав его в 2D PAGE в простой протеомике, потому что известны многие внутриклеточные соматические пути. Однако в нейропротеомике многие белки объединяются, чтобы дать конечный результат, который может быть неврологическим заболеванием или срывом. Поэтому необходимо изучить каждый белок по отдельности и найти корреляцию между различными белками, чтобы определить причину неврологического заболевания. Разрабатываются новые методы, позволяющие идентифицировать белки после их выделения с помощью 2D PAGE.
Определение белка
Методы разделения белков, такие как 2D PAGE, ограничены тем, что они не могут обрабатывать белковые виды с очень высокой или низкой молекулярной массой. Для решения таких проблем разработаны альтернативные методы. К ним относятся жидкая хроматография, масс-спектрометрия вместе с натриевым додецилсульфатом, полиакриламидным гелем электрофореза или жидкая хроматография, масс-спектрометрия, выполняемая в нескольких измерениях. По сравнению с простой 2D-страницей, жидкостная хроматография может обрабатывать больший диапазон размеров белковых видов, но она ограничена количеством белковых образцов, которые она обрабатывает одновременно. Массовая спектрометрия жидкостной хроматографии также ограничена отсутствием справочной карты, с которой можно работать. Сложные алгоритмы обычно используются для анализа периферийных результатов, которые возникают после выполнения процедуры. Однако неизвестные части белкового вида обычно не анализируются в пользу знакомых протеом. Этот факт показывает недостаток в современной технологии; необходимы новые методы для увеличения как специфичности, так и объема картографирования протеомы.
Наркомания
Общеизвестно, что наркомания включает в себя постоянную синаптическую пластичность различных нейронных цепей. Нейропротеомика применяется для изучения эффекта наркомании через синапсы. Исследования проводятся путем выделения отдельных областей мозга, в которых происходит синаптическая передача, и определения протеома для этой конкретной области. Однако необходимо изучить различные стадии наркомании, чтобы составить карту прогрессирования изменений белков в течение наркомании. Эти стадии включают в себя соблазн, поглощение, отказ, привыкание и удаление. Она начинается с изменения генома через транскрипцию, которая происходит из-за злоупотребления наркотиками. Он продолжает выявлять белки, которые наиболее вероятно будут затронуты лекарствами, и фокусируется на этой области. Для наркомании синапсы являются наиболее вероятной мишенью, поскольку они связаны с связью между нейронами. Отсутствие сенсорной связи в нейронах часто является внешним признаком злоупотребления наркотиками, поэтому нейропротеомика применяется для выяснения, какие белки подвергаются воздействию, чтобы предотвратить транспортировку нейротрансмиттеров. В частности, изучается процесс высвобождения везикул для выявления белков, участвующих в синапсе во время употребления наркотиков. Такие белки, как синаптотагмин и синаптобровин, взаимодействуют, чтобы слить везикулу в мембрану. Фосфорилирование также включает в себя свой набор белков, которые работают вместе, чтобы позволить синапсу функционировать должным образом. Лекарства, такие как морфин, изменяют свойства, такие как клеточная адгезия, объем нейротрансмиттеров и синаптический трафик. После значительного применения морфина тирозинкиназы получают меньше фосфорилирования и, таким образом, посылают меньше сигналов внутри клетки. Эти рецепторные белки не способны инициировать внутриклеточные сигнальные процессы, которые позволяют нейрону жить, и результатом может быть некроз или апоптоз. Поскольку в цепочке гибели клеток поражается все больше и больше нейронов, в результате может возникнуть постоянная потеря сенсорных или двигательных функций. Определяя белки, которые изменяются при злоупотреблении наркотиками, нейропротеомика может дать врачам еще более ранние биомаркеры для тестирования, чтобы предотвратить постоянное неврологическое повреждение. Недавно исследователи из Университета Флориды из лаборатории доктора Марка С. Голда придумали новую терминологию (психопротеомика). Кобисси и др. определена психопротеомика как интегральный протеомный подход, посвященный изучению протеомных изменений в области психических расстройств, особенно нейротоксичности злоупотребления психоактивными веществами и наркотиками.
Рост нервов
Одна группа исследователей применила нейропротеомику, чтобы изучить, как различные белки влияют на начальный рост неврита. Эксперимент сравнивал белковую активность контрольных нейронов с активностью нейронов, получавших фактор роста нервов (NGF) и JNJ460, лиганд иммунофилина. JNJ460 является потомком другого препарата, который используется для предотвращения иммунной атаки при пересадке органов. Однако он не является иммунодепрессантом, а действует как щит против микроглии. NGF способствует жизнеспособности и дифференциации нейронов путем связывания с TrkA, киназой тирозинового рецептора. Этот рецептор важен для инициирования внутриклеточных метаболических путей, включая Ras, Rak и MAP-киназу. Дифференциация белков измерялась в каждой клетке с использованием NGF и JNJ460 и без них. Пептидная смесь была получена путем смывания не связанных частей аминокислотной последовательности в обратной колонке. Полученную смесь затем подвешивали пептидной смесью в ванне с жидкостью для обмена катионами. Белки были идентифицированы путем их сцепления с трипсином, а затем с помощью результатов прохождения продукта через масс-спектрометр. При этом применяется форма жидкостной хроматографии массовой спектрометрии для выявления белков в смеси. Обработка JNJ460 привела к увеличению белков "передачи сигнала", в то время как NGF привела к увеличению белков, связанных с рибосомой и синтезом других белков. JNJ460 также привел к появлению большего количества структурных белков, связанных с межклеточным ростом, таких как актин, миозин и тропонин. При лечении NGF клетки увеличивали синтез белка и создание рибосом. Этот метод позволяет анализировать все белковые паттерны в целом, а не одно изменение аминокислоты. По словам исследователей, результаты исследования подтвердили исследования с помощью "вестерн-блоттов", хотя изменения в белках не были столь очевидны в их протоколе. Основное значение этих выводов заключается в том, что JNJ460 и NGF являются отдельными процессами, которые контролируют выработку белка клетки. JNJ460 приводит к увеличению размера и стабильности нейронов, в то время как NGF приводит к увеличению мембранных белков. В сочетании они значительно увеличивают шансы нейрона на рост. Хотя JNJ460 может "прим" некоторые части клетки для лечения NGF, они не работают вместе. Считается, что JNJ460 взаимодействует с клетками Швана в регенерации актина и миозина, которые являются ключевыми игроками в аксональном росте. NGF помогает нейрону расти в целом. Однако эти два белка не играют никакой роли в связи с другими нейронами. Они просто увеличивают размер мембраны, вниз по которой может быть отправлен сигнал. Другие протеомы нейротрофического фактора необходимы для направления нейронов друг к другу для создания синапсов.
JNJ460 treatment resulted in an increase in “signal transduction” proteins, while NGF resulted in an increase in proteins associated with the ribosome and synthesis of other proteins. JNJ460 also resulted in more structural proteins associated with intercellular growth, such as actin, myosin, and troponin. With NGF treatment, cells increased protein synthesis and creation of ribosomes. This method allows the analysis of all of the protein patterns overall, rather than a single change in an amino acid. Western blots confirmed the results, according to the researchers, though the changes in proteins were not as obvious in their protocol. The main significance to these findings are that JNJ460 are NGF are distinct processes that both control the protein output of the cell. JNJ460 resulted in increased neuronal size and stability while NGF resulted in increased membrane proteins. When combined, they significantly increase a neuron’s chance of growth. While JNJ460 may “prime” some parts of the cell for NGF treatment, they do not work together. JNJ460 is thought to interact with Schwann cells in regenerating actin and myosin, which are key players in axonal growth. NGF helps the neuron grow as a whole. These two proteins do not play a part in communication with other neurons, however. They merely increase the size of the membrane down which a signal can be sent. Other neurotrophic factor proteomes are needed to guide neurons to each other to create synapses.
Ограничения
Широкий спектр доступных сырых нейронных белков для картирования требует, чтобы первоначальные исследования были сосредоточены на небольших участках нейронов. При взятии образцов есть несколько мест, которые больше всего интересуют неврологов. Для неврологов самым важным местом для начала является плазменная мембрана. Здесь происходит большая часть связи между нейронами. Здесь отображены белки, включающие ионные каналы, рецепторы нейротрансмиттеров и молекулярные транспортеры. Вдоль плазменной мембраны изучаются белки, участвующие в создании липидных плит, богатых холестерином, поскольку было показано, что они имеют решающее значение для поглощения глутамата на начальных стадиях образования нейронов. Как уже упоминалось, белки волдырей также тщательно изучаются, поскольку они участвуют в болезнях. Однако сбор образцов для исследования требует особого внимания, чтобы гарантировать, что воспроизводимость образцов не будет нарушена. Например, когда мы берем глобальный образец одной области мозга, белки, которые повсеместно присутствуют и относительно не имеют значения, очень четко отображаются в SDS PAGE. Другие неизученные, более специфические белки едва обнаруживаются и поэтому игнорируются. Обычно необходимо разделить протеом плазменной мембраны, например, на субпротеомы, характеризующиеся специфической функцией. Это позволяет более четко проявить эти более специфические классы пептидов. В некотором смысле, разделение на субпротеомы - это просто применение увеличительной линзы к определенному разделу глобальной карты SDS PAGE протеомы. Этот метод, по-видимому, наиболее эффективен, когда применяется к каждой клеточной органелле отдельно. Например, митохондриальные белки, которые более эффективны в транспортировке электронов через мембрану, могут быть эффективно нацелены, чтобы соответствовать их способности транспортировать электроны с их аминокислотной последовательностью.