Вы никогда не задумывались что стоит за всеми процессами, происходящими в нашем организме? Ученые уже научились подглядывать за микро-, нет, наномиром белковых молекул с помощью методов протеомики. Давайте же посмотрим на него и мы.
Небольшое напоминание о том, откуда они появляются в клетках: на основе участка ДНК, гена, синтезируется другая молекула – мРНК (матричная РНК), которая несет информацию о последовательности аминокислот, составляющих белок. Эта процедура обходится клетке недешево: на синтез 1 г белка потребуется 0,4 – 25,6 ккал [1], в то время как полное окисление 1 г глюкозы даст около 1,3 ккал [4]. Поэтому, во избежание лишних затрат энергии, синтез макромолекул должен регулироваться, и клеточный состав РНК и белков будет зависеть от окружающих условий и специализации клетки. По аналогии с геномом совокупность разнообразных РНК и белков называют транскриптомом (от слова “транскрипция” – процесс синтеза мРНК) и протеомом (от англ. protein – белок) соответственно, а разделы молекулярной биологии, изучающие их – геномика, транскриптомика и протеомика. На этом словообразование не кончилось, и на свет явились другие “омики”: метаболомика, липидомика, гликомика [3]… Но давайте пока остановимся на протеомике.
Как же поймать и распознать белки? Как было сказано выше, они состоят из аминокислот, расположенных в определенной последовательности, от которой зависят масса, заряд, гидрофобность и другие свойства белка. Существует множество методов их разделения, основанных на подвижности белков в электрическом поле и их массе – электрофорез (и его модификации — двухмерный, вестерн-блот), масс-спектрометрия. Благодаря этим методам мы можем установить, какие белки синтезируются исследуемыми клетками в определенных условиях. Кроме того, используя антитела, связывающиеся специфически с интересующими нас белками, мы имеем возможность целенаправленно наблюдать за ними [5].
Так зачем это все? У протеомики есть как прикладные, так и фундаментальные аспекты (которые, впрочем, тоже часто сводятся к прикладным). Одно из них — исследование заболеваний. Так, например, группа учёных из Калифорнии методами протеомики исследовала болезнь муковисцидоз, который связан с мутацией в гене белка CFTR – траспортёра ионов хлора. Нарушение функционирования CFTR ведёт к дисбалансу ионов на поверхности слизистых и, как следствие, к выделению большого количества жидкости. Белки не плавают в вакууме – они динамически взаимодействуют друг с другом, регулируя активность и передавая сигналы. «Поломанные» белки могут изменить свой паттерн «общения». Исследователи выяснили, как мутация в CFTR влияет на его контакты с другими белками. С помощью антител к CFTR они аккуратно «вытащили» его из клеток больных и здоровых доноров. Вместе с CFTR выделились и взаимодействующие с ним белки. Они выявили, только представьте, 638 взаимодействий. 208 из них только с мутантной формой, а 62 – с нормальной. Причем на связывании с мутантным CFTR были пойманы белки, участвующие в белковой деградации. Более того, некоторые из новых друзей мутанта оказались замешанными в неправильным сворачиванием белков и нейродегенеративных заболеваниях. Все это, конечно, красиво, однако, стоит помнить, что подобные исследования позволяют лишь выявить общие закономерности, но не причинно–следственные связи. Тем не менее, направление куда копать дальше, они задают.
Есть у протеомики и более прикладные задачи. Например, идентификация патогенов, диагностики заболеваний (например, тест Xpresys Lung, разработанный для определения степени злокачественности опухолей легких) и исследование действия лекарственных препаратов.
Таким образом, протеомика – мощный инструмент, позволяющий открыть для нас динамичный мир белков, нашедший себя как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях.
Источники
- Pannevis, M., & Houlihan, D. (1992). The energetic cost of protein synthesis in isolated hepatocytes of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Journal of Comparative Physiology B, 162(5). doi:10.1007/bf00258960.
- Pankow, S., Bamberger, C., Calzolari, D. et al. ∆F508 CFTR interactome remodelling promotes rescue of cystic fibrosis. Nature 528, 510–516 (2015). https://doi.org/10.1038/nature15729.
- Сергей Мошковский, Ольга Пташник, 12 методов в картинках: протеомика, Биомолекула 2017, https://biomolecula.ru/articles/12-metodov-v-kartinkakh-proteomika#source-27.
- David L. Nelson, Lehninger Principles of Biochemistry 8th Edition, 2021, page 2131.
- Bilal Aslam, Madiha Basit, Muhammad Atif Nisar, Mohsin Khurshid, Muhammad Hidayat Rasool, Proteomics: Technologies and Their Applications, Journal of Chromatographic Science, Volume 55, Issue 2, 1 February 2017, Pages 182–196, https://doi.org/10.1093/chromsci/bmw167.