Современные проблемы протеомных исследований

1995 г. (Ян Хемпли-Смит) ввел термин протеом, подразумевая инвентаризацию всех белков клетки.

Протеомика — наука, основным предметом изучения которой являются белки, их функции и взаимодействия в живых организмах, в том числе в человеческом. Основная задача протеомики — количественный анализ экспрессии белков в клетках в зависимости от их типа, состояния или влияния внешних условий. Протеомика осуществляет сравнительный анализ больших групп белков: от всех белков, вовлеченных в тот или иной биологический процесс до полного протеома.

98,5% заболеваний человека связаны с нарушением протеома, остальные 1,5% -генетические заболевания.

2001 год – открыт проект HUPO по исследованию протеома человека.

Задачи проекта:

1. Создание каталога белков человека: полный список всех белков, включая ко- и посттрансляционно модифицированные продукты, варианты множественного сплайсинга и характеристики семейств белковых изоформ, кодируемых одним геном. Это позволит соотнести рассчитанную последовательность генома человека с открытыми рамками считывания, стартовыми кодонами, границами экзонов/интронов с экспериментальными данными.

2. Сделать доступным клон кДНК, который позволит производить рекомбинантные белки с каждой открытой рамки считывания.

3. Производить «репортерные» лиганды для каждого продукта открытой рамки считывания. Такое производство может включать традиционные антитела, фаговое представление антител или отдельных фрагментов, аптомеры, аффитела и другие лиганды.

4. Детальный анализ белок/белковых взаимодействий.

5. Детальный анализ взаимодействий белков с нуклеиновыми кислотами.

6. Установление более тесных связей с геномным структурным сообществом.

7. Детальный анализ всех уровней тканеспецифичной экспрессии белков.

8. Детальный анализ всех уровней внутриклеточной экспрессии белка.

9. Статус каждого из восьми пунктов в отношении многочисленных заболеваний.

10. Диагностика молчащих опухолей (рак яичников, легких, рак костной ткани), различные формы гепатита (В,С,Е), заболевания внутритробного развития (патологии), туберкулез.

11. Создание селективных лекарственных средств.

До сих пор протеомика считается наукой, в основе которой лежат три методических подхода:

1. двухмерный электрофорез, используемый для разделения белков и их первичной идентификации;

2. масс-спектрометрии для идентификации белков и их секвенирования (именно этот подход сделал протеомику самостоятельной наукой).

3. биоинформатика при обработке результатов масс-спектрометрического анализа играет решающую роль.

Среди методических проблем протеомики проблема двухмерного электрофореза является особенно актуальной. Проблема 2D-электрофореза применительно к анализу мембранных белков, так как до сих пор протеомики мембранных белков не существует.

Важным методом протеомных исследований является масс-спектрометрия. В Мюнхене различные фирмы продемонстрировали свои успехи в этой области, продемонстрированы огромные возможности метода масс-спектрометрического анализа, позволяющие работать на атомо-молярном уровне в полностью автоматизированном режиме*Более того, были даны некоторые примеры прямого использования метода масс-спектрометрического анализа для анализа сложных белковых смесей без предварительного их разделения. Развитие всех направлений в этой области сводится к попытке найти какую-то замену двухмерному электрофорезу и перевести масс-спектрометрический анализ в область работы с фемто - и атомо-молярными уровнями концентраций исследуемых объектов.

Отдельно были также обсуждены возможности использования различных методов биоинформатики в протеомике и по сути дела декларирована необходимость создания программ, специфичных для этой области знаний. Поставлен вопрос о как можно более быстрой аннотации протеом и (также как и в случае генома), переводе линейных белковых структур в трехмерное пространство. Основной вопрос, который обсуждался в большинстве методических сообщений сводился к одному: какой же метод придет на смену электрофорезу? При ответе на этот вопрос можно выделить три принципиально различающихся подхода:

1. Развитие масс-спектрометрического анализа и биоинформатики до такой степени, чтобы он сам по себе позволял анализировать сложные биологические смеси, в состав которых могут входить мембранные белки;

2. Использование одномерного электрофореза вместо двухмерного с последующим анализом не отдельных белковых пятен, а всей области разделенных ДДС-электрофорезом белков. Современный масс-спектрометрический анализ позволяет это делать, а преимущество одномерного электрофореза перед двухмерным, где второе направление (а именно изоэлектрофокусировка) до сих пор остается в значительной мере искусством, а не наукой, очевидно.

3. Использование многомерной хроматографии на первом этапе вместо электрофореза для разделения белковых смесей. Этот подход также имеет все

очевидные преимущества, так как он является количественным и позволяет работать с электроспрейными детекторами в режиме "on line" или использоватьнаиболее популярный метод MALDI-TOF-анализа через стадию роботизированных коллекторов.

Заключение: протеомная наука развивается очень и очень быстро. Доминирующее положение в ней в настоящее время занимают не государственные структуры, а частные фирмы. Объясняется этотем, что протеомная наука очень дорогая. Ясно,что ни академическая, ни университетская науки такой финансовой поддержки не имеют и в ближайшее время вряд ли будут иметь. Лимитирующим является также и наличие специалистов высокого класса в области масс-спектрометрического анализа.

Не вызывает также сомнения, что протеомика пришла в нашу жизнь всерьез и надолго и задачи ее гораздо сложнее, чем задачи геномики. Разница заключается в том, что в случае анализа генома мы довольствуемся данными об информационном материале клеток, который в значительной мере идентичен в пределах одного вида и различных состояний В случае протеомного анализа мы имеем дело с десятками миллионов белков, концентрация которых весьма специфична для различных состояний клеток и организма и резко меняется при различных патологических состояниях. Поэтому задача идентификации и составления протеомного индекса человека, выявления белковых маркеров различных патологических состояний на несколько порядков сложнее тех задач, которые решала и решает современная геномика.