Введение

Набор белков, который может быть экспрессирован геномом, клеткой, тканью или организмом.

Протеом – это весь набор белков, который экспрессируется, или может быть экспрессирован, геномом, клеткой, тканью или организмом в определенный момент времени. Это совокупность белков, экспрессируемых в определенном типе клетки или организма в конкретный момент времени и при заданных условиях. Протеомика – это изучение протеома.

Типы протеом

Хотя протеом обычно относится к протеому организма, многоклеточные организмы могут иметь существенно различающиеся протеомы в разных клетках, поэтому важно различать протеомы клеток и организмов. Клеточный протеом – это совокупность белков, обнаруженных в конкретном типе клеток в определенных условиях окружающей среды, например, при гормональной стимуляции. Также полезно рассматривать полный протеом организма, который можно представить как полный набор белков, составляющих все различные клеточные протеомы. Это, в некотором приближении, белковый эквивалент генома. Термин «протеом» также используется для обозначения совокупности белков в определенных субклеточных системах, таких как органеллы. Например, митохондриальный протеом может состоять из более чем 3000 различных белков. Совокупность белков вируса можно назвать вирусным протеомом. Обычно вирусные протеомы предсказывают на основе вирусного генома, однако предпринимались попытки определить все белки, экспрессируемые из генома вируса, то есть вирусный протеом. Чаще же вирусная протеомика анализирует изменения в белках хозяина при вирусной инфекции, таким образом, фактически исследуются два протеома – вируса и его хозяина.

Значение при раке

Протеом может быть использован для сравнительного анализа различных линий раковых клеток. Протеомические исследования были использованы для определения вероятности метастазирования в клетках рака мочевого пузыря KK47 и YTS1, в результате чего было выявлено 36 белков с нарушенной регуляцией и 74 белка с пониженной регуляцией. Различия в экспрессии белков могут помочь выявить новые механизмы канцерогенеза. Биомаркеры рака были обнаружены с помощью протеомического анализа на основе масс-спектрометрии. Использование протеомики, или изучение протеома, является шагом вперед в персонализированной медицине, позволяющим подбирать комбинации лекарственных препаратов, соответствующие специфическому протеомному и геномному профилю пациента. Анализ клеточных линий рака яичников показал, что к потенциальным биомаркерам рака яичников относятся "α-енолаза (ENOA), фактор удлинения Tu, митохондриальный (EFTU), глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (G3P), белок теплового шока 70, митохондриальный (GRP75), аполипопротеин A1 (APOA1), пероксиредоксин (PRDX2) и анексин A (ANXA)". Сравнительный протеомический анализ 11 клеточных линий продемонстрировал сходство метаболических процессов в каждой клеточной линии; в ходе этого исследования было полностью идентифицировано 11 731 белок. Белки «домашнего хозяйства» (housekeeping proteins) обычно проявляют большую вариабельность между клеточными линиями. Механизмы устойчивости к некоторым противораковым препаратам до сих пор недостаточно изучены. Протеомический анализ использовался для выявления белков, которые могут обладать противораковыми свойствами, в частности, для иринотекана – препарата, применяемого при раке толстой кишки. Исследования клеточной линии аденокарциномы LoVo показали, что 8 белков были с нарушенной регуляцией, а 7 белков – с пониженной регуляцией. Белки, демонстрирующие дифференциальную экспрессию, участвовали в таких процессах, как транскрипция, апоптоз и пролиферация/дифференцировка клеток, среди прочих.

Протеом в бактериальных системах

Проведены протеомные анализы различных видов бактерий для оценки их метаболических реакций в ответ на различные условия. Например, у бактерий Clostridium и Bacillus протеомный анализ использовался для изучения того, как различные белки способствуют прорастанию спор после длительного периода покоя. Для более глубокого понимания способов эффективной элиминации спор необходимо проводить протеомный анализ.

История

Марк Уилкинс ввел термин "протеом" в 1994 году на симпозиуме "2D-электрофорез: от карт белков к геномам", проходившем в Сиене, Италия. Он был опубликован в 1995 году вместе с частью его докторской диссертации. Уилкинс использовал этот термин для описания полного набора белков, экспрессируемых геномом, клеткой, тканью или организмом.

Методы изучения протеомы

Анализ белков оказывается более сложным, чем анализ последовательностей нуклеиновых кислот. В то время как ДНК состоит всего из 4 нуклеотидов, белок может состоять как минимум из 20 различных аминокислот. Кроме того, на данный момент не существует известных высокопроизводительных технологий для получения копий отдельного белка. Для изучения белков, наборов белков или всего протеома доступно множество методов. Фактически, белки часто изучают косвенным путем, например, с помощью вычислительных методов и анализа геномов. Ниже приведены лишь несколько примеров.

Методы разделения и электрофорез

Протеомика, изучение протеома, в значительной степени основывалась на разделении белков с помощью двумерного гелевого электрофореза. В первом измерении белки разделяются методом изоэлектрического фокусирования, которое разделяет белки в зависимости от их заряда. Во втором измерении белки разделяются по молекулярной массе с использованием SDS-PAGE. Гель окрашивают бриллиантовым синим Комасси или серебром для визуализации белков. Пятна на геле соответствуют белкам, мигрировавшим в определенные области.

Массовая спектрометрия

Масс-спектрометрия – один из ключевых методов изучения протеома. Некоторые важные методы масс-спектрометрии включают орбитрапную масс-спектрометрию, MALDI (матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация) и ESI (электроспрейная ионизация). Пептидный массовый отпечаток идентифицирует белок путем расщепления его на короткие пептиды и последующего сопоставления наблюдаемых масс пептидов с базой данных последовательностей для определения его идентичности. Тандемная масс-спектрометрия, в свою очередь, позволяет получить информацию о последовательности отдельных пептидов, изолируя их, сталкивая с инертным газом и затем регистрируя полученные фрагмент-ионы. В мае 2014 года в журнале Nature была опубликована предварительная карта человеческого протеома. Эта карта была получена с использованием высокоразрешающей масс-спектрометрии преобразования Фурье. В ходе исследования был проведен анализ 30 гистологически нормальных образцов тканей человека, в результате чего были идентифицированы белки, кодируемые 17 294 генами. Это составляет около 84% от общего числа аннотированных генов, кодирующих белки.

Хроматография

Жидкая хроматография — важный инструмент в изучении протеома. Она обеспечивает высокочувствительное разделение различных видов белков на основе их сродства к матрице. К новым методам разделения и идентификации белков относятся использование монолитных капиллярных колонок, высокотемпературная хроматография и капиллярная электрохроматография.

Появление пятен

Метод Western blotting может быть использован для количественной оценки количества определенных белков. Используя антитела, специфичные к интересующему белку, можно выявлять присутствие конкретных белков в смеси белков.

Анализы протеиновой комплементации и скрининги взаимодействия

Анализы комплементации фрагментов белка часто используются для выявления белок-белковых взаимодействий. Наиболее популярным из них является дрожжевой двухгибридный анализ, но существует множество вариаций, используемых как in vitro, так и in vivo. Pull-down анализ – это метод определения белков, взаимодействующих с данным белком.

Прогноз структуры белка

Прогнозирование структуры белка может быть использовано для получения трехмерных моделей структуры белка для целых протеомов. В 2022 году масштабное сотрудничество между EMBL EBI и DeepMind предоставило предсказанные структуры для более чем 200 миллионов белков, представляющих все разнообразие жизни на Земле. Меньшие проекты также используют прогнозирование структуры белка для картирования протеомов отдельных организмов, например, isoform.io предоставляет информацию о множестве белковых изоформ для более чем 20 000 генов в геноме человека.

Базы данных белков

В "Атласе человеческого протеома" содержится информация о человеческих белках в клетках, тканях и органах. Все данные этого информационного ресурса находятся в открытом доступе, что позволяет ученым из академических кругов и промышленности свободно использовать их для изучения протеома человека. Организация ELIXIR признала этот атлас ключевым ресурсом ввиду его фундаментальной важности для широкого научного сообщества в области наук о жизни. База данных "Плазменный протеом" содержит информацию о 10 500 белков плазмы крови. Из-за значительного разброса в концентрациях белков в плазме, обнаружение редких белков на фоне более распространенных представляет собой сложную задачу. Это аналитическое ограничение, которое потенциально может затруднить выявление белков с ультранизкими концентрациями. Базы данных, такие как neXtProt и UniProt, являются основными ресурсами для данных по протеомике человека.