Протеотип

Протеотип представляет собой комплексное состояние всего протеома организма или клетки, охватывающее его состав, количество, модификации и взаимные взаимодействия, проявляющиеся при определенном генотипе, в конкретный момент времени и в заданном экологическом контексте.

Концептуальная эволюция[править | править код]

Определение и этимология[править | править код]

Термин «протеотип» представляет собой лингвистическое слияние понятий «Протеом» и «Генотип» или «Фенотип». В биологической номенклатуре суффикс «-тип» обычно обозначает конкретную категорию или состояние. В то время как генотип представляет собой статичный, закодированный генетический потенциал организма, протеотип воплощает реализованное, динамичное и изменчивое проявление этого потенциала.

Континуум генотип-протеотип-фенотип[править | править код]

Хотя взаимосвязь между генотипом и фенотипом давно является предметом изучения, современная системная биология определила протеотип как отдельный и незаменимый слой, связывающий их. Исследования Пикотти и др. (2013) и последующий метаанализ Романова и коллег (2019) показали, что корреляция между мРНК (транскриптомом) и количеством белка часто слаба. Это явление известно как буферный эффект. По сути, даже если экспрессия генов колеблется из-за мутаций ДНК или факторов окружающей среды, клетка может поддерживать стабильный уровень белков за счет внутренних механизмов деградации или контроля трансляции. И наоборот, существует множество случаев, когда фенотип меняется из-за изменений на белковом уровне, даже при нормальной экспрессии генов.

Масс-спектрометрия[править | править код]

В традиционной протеомике преобладали две основные методологии: «протеомика дробовика» (DDA) и таргетная протеомика (SRM/MRM).

Протеомика дробовика работает по принципу зависимого от данных сбора (DDA). В этом подходе прибор автоматически выбирает для анализа пептиды, дающие наиболее интенсивные сигналы из тысяч, присутствующих в образце. Его основное преимущество — способность обнаруживать неизвестные белки; однако существенным ограничением является его стохастическая природа: анализ одного и того же образца дважды часто дает разные идентификации белков, что делает его непригодным для точного количественного анализа.

Таргетная протеомика, в частности метод селективного мониторинга реакций (SRM), отличается высокой точностью и воспроизводимостью, что делает его золотым стандартом для измерения клинических биомаркеров. Однако он страдает от узкого места в пропускной способности: он может одновременно измерять лишь заранее выбранную горстку белков (10–100), а не весь протеом.

SWATH-MS[править | править код]

SWATH-MS (последовательное окно сбора всех теоретических масс-спектров) — это специализированная форма независимого от данных сбора (DIA). Разработанная около 2010 года Рюди Аберсолдом и его командой, эта инновация ознаменовала переход протеомных исследований в «оцифрованную» эру.

В методе SWATH-MS масс-спектрометр анализирует все пептиды в определенном диапазоне масс (например, 400–1200 m/z). В отличие от традиционного метода DDA, который выбирает только интенсивные ионы, SWATH-MS делит весь массовый диапазон на узкие «окна» (например, шириной 25 m/z). Прибор быстро фрагментирует все пептиды в одном окне, записывает их массовые данные, а затем переходит к следующему окну. Этот процесс повторяется в непрерывном цикле.

Результатом является создание полной цифровой записи каждого белка, присутствующего в образце. Из этой карты мощные алгоритмы, такие как OpenSWATH, в сочетании со спектральными библиотеками используются для извлечения точных количественных данных по конкретным белкам.

После получения данных SWATH нет необходимости повторно проводить лабораторные тесты для исследования новых белков или биомаркеров в будущем. Исследователи могут просто выполнить ретроспективный компьютерный анализ существующих цифровых карт для извлечения новой информации о белках.

Фосфопротеомика[править | править код]

После синтеза функциональность белка часто регулируется фосфорилированием — критической посттрансляционной модификацией (ПТМ), которая действует как переключатель в сигнальных путях.

Исследование Нидхэма и коллег ввело понятие темного фосфопротеома. В настоящее время функции известны только для примерно 20% известных киназ. Тем не менее, в клетках происходят сотни тысяч событий фосфорилирования. Это говорит о том, что огромный ландшафт регуляторных механизмов остается неисследованным.

Интерактом[править | править код]

Белки редко функционируют изолированно; они собираются вместе, образуя молекулярные машины или белковые комплексы. Жизненно важным компонентом протеотипа является анализ этого интерактома или белок-белковых взаимодействий. Исследования показывают, что даже если общее количество белков остается постоянным в разных тканях или линиях раковых клеток, их сети взаимодействий или «перепрограммирование» могут быть совершенно разными. Исследования с использованием сети BioPlex показали, что тысячи новых взаимодействий возникают всего в 2–3 различных клеточных линиях, управляя специализированными клеточными функциями.

Поверхностный протеом (Surfaceome)[править | править код]

Белки, расположенные на плазматической мембране, в совокупности называются поверхностным протеомом. Они функционируют как антенны клетки, принимая сигналы из внешней среды. Бернд Воллшайд и его лаборатория использовали хемопротеомику для создания комплексных карт протеотипа поверхностного протеома.

В эволюционной биологии[править | править код]

Исследование, опубликованное в 2022 году, проанализировало протеом и фосфопротеом клеток фибробластов у 11 различных видов млекопитающих, включая человека, мышей, коров, собак и обезьян. Исследование показало, что количество мРНК и белка меняется неодинаково для всех генов. Клеточные гены «домашнего хозяйства», такие как те, что отвечают за синтез рибосом или протеасом, высококонсервативны у разных видов. Напротив, белки, связанные с внеклеточным матриксом (ВКМ) и лизосомами, демонстрируют обширную эволюционную дивергенцию.

Мыши с разнообразным аутбридингом и метаболизм липидов[править | править код]

В исследованиях, вышедших из лаборатории Чика и Уильямса, проводилось протеотипирование мышей с разнообразным аутбридингом (DO). Используя высокопроизводительный мультиплексный метод под названием «GoDig», исследователи проанализировали белки печени 480 мышей.

Они наблюдали, что одни белки регулируются вариантами генов рядом с их собственными генами (cis-pQTL), а другие — генами на отдаленных хромосомах (trans-pQTL). Например, было обнаружено, что pQTL, расположенный на хромосоме 8, регулирует количество фермента под названием Ces2h. С помощью статистического медиационного анализа было доказано, что именно белок Ces2h, а не просто ген, контролирует метаболизм специфических липидов (ацилкарнитинов). Аналогично, pQTL-анализ белка ABHD2 выявил его роль в регуляции уровня липидов фосфатидилхолина.

Исследования рака[править | править код]

Линии клеток NCI-60[править | править код]

Национальный институт рака (NCI) в США создал панель из 60 различных линий раковых клеток (NCI-60), используемых по всему миру для исследований рака. Используя технологию SWATH-MS, ученые создали полную количественную карту протеотипа 3171 белка для этих 60 клеточных линий.

Это исследование показало, что протеомные данные значительно эффективнее геномных данных в прогнозировании эффективности 240 различных противораковых препаратов.

Сеть APOLLO[править | править код]

В 2016 году, в рамках инициативы «Лунный выстрел» по борьбе с раком, правительство США сформировало сеть APOLLO (Прикладная протеогеномика: организационное обучение и результаты). Это представляет собой первый в мире проект по интеграции протеогеномики в рутинную клиническую практику. Сеть APOLLO ставит целью одновременный анализ ДНК и белков из опухолей пациентов в госпиталях для ветеранов и военных. Таким образом, они наблюдают, как генетические мутации изменяют белковые сети или сигнальные пути. Эта информация в настоящее время используется для выбора таргетной терапии или иммунотерапии, специфичной для пациента.

Жидкая биопсия[править | править код]

Компания Proteotype Diagnostics, выделившаяся из Кембриджского университета, разработала метод обнаружения рака путем анализа тонких колебаний уровня аминокислот, таких как цистин, лизин и тирозин, в крови. Названный «иммунодиагностикой», этот подход достиг 78% точности в обнаружении рака с 0% ложноположительных результатов в испытании с участием 170 пациентов.

В микробиологии=[править | править код]

Пищевой патоген *Listeria monocytogenes* существует в различных штаммах — одни безвредны, другие смертельны. Из-за высокого генетического сходства секвенирование генома часто не позволяет различить эти штаммы. Ученые использовали SWATH-MS для анализа протеотипов различных штаммов листерий. Исследование показало, что воздействие желчных солей вызывает масштабные изменения в их протеоме.

Традиционно считалось, что листерия теряет жгутики при температуре выше 30°C. Однако анализ протеотипа показал, что в среде кишечника (37°C) определенные штаммы производят жгутиковый белок (FlaA) в большом количестве, что ставит под сомнение предыдущие предположения.

Ссылки[править | править код]