Понятие генома геномики и протеомики: Протеомика — Википедия – Геномика — Википедия

Содержание

Протеомика — Википедия

Протео́мика (англ. Proteomics) — область молекулярной биологии, посвящённая идентификации и количественному анализу белков (иными словами, высокопроизводительному исследованию белков). Термин «протеомика» был предложен в 1997 году[1]. Совокупность всех белков клетки называют протеомом[2].

Объектом изучения протеомики являются белки, которые экспрессируются в данной клетке, ткани или организме в данный момент времени (то есть протеом). Хотя первые методы протеомики, например, секвенирование белков по Эдману, появились задолго до геномных технологий, действительно высокопроизводительное изучение белков стало возможным только в постгеномную эпоху, то есть при наличии известных нуклеотидных последовательностей геномов разных организмов.

После геномики и транскриптомики, протеомика — следующий шаг в изучении биологических систем. Основная задача протеомики заключается в идентификации новых белков и их количественном анализе. Соответственно, протеомика объективно сложнее геномики, так как геном организма в большинстве случаев не меняется в ходе жизни, но совокупность всех его белков изменяется постоянно. Различаются даже протеомы клеток разных типов одного организма. Кроме того, изучение протеома осложняется и другими обстоятельствами, например, посттрансляционными модификациями, которым подвергаются многие белки (изучением посттрансляционных модификаций занимаются разделы протеомики — фосфопротеомика

[en] и гликопротеомика[en]). Для активности многих белков критически необходимы взаимодействия с другими белками и с РНК, что также осложняет их идентификацию. Наконец, некоторые белки существуют так недолго и столь быстро разрушаются, что их очень сложно зафиксировать имеющимися методами[3].

Данные, полученные методом протеомики, могут быть использованы для формирования более глубокого понимания причин возникновения разнообразных заболеваний, например, нейродегенеративных, а также разработки методов лечения. С помощью протеомики осуществляется поиск антигенов, пригодных для создания новых вакцин. Идентификация белков, которые аномально экспрессируются при различных раковых заболеваниях, имеет огромное значение для диагностики с помощью биомаркеров, прогнозирования и лечения рака

[4].

Традиционный подход к изучению белков подразумевает их выделение из тканей и клеток, последующую очистку, в результате чего становится возможным анализировать структуру и функции очищенного белка. Протеомика использует другой подход: всё белковое содержимое клетки можно увидеть и проанализировать в одну стадию. Это стало возможным благодаря появлению и развитию таких методов и технологий, как масс-спектрометрия и двумерный электрофорез. Однако методы протеомики не исчерпываются этими двумя примерами[2]. Ниже рассмотрены использующиеся на данный момент методы исследования белков, в том числе методы количественного анализа и секвенирования аминокислотной последовательности белка, которые на современном этапе используются редко.

Количественный анализ, не требующий информации о структурах белков[править | править код]

Количественный анализ белков с ферментативной активностью можно опосредованно проводить через определение активности[en] этих белков. Ещё в начале XX века подобный анализ можно было осуществить с помощью методов спектрофотометрии. При этом количество катализатора оценивается в условных единицах активности. Условные единицы активности до сих пор используют для описания концентрации в крови таких биомаркеров, как аланинаминотрансфераза и аспартатаминотрансфераза. В 1975 году был разработан способ получения моноклональных антител, и они быстро нашли применение в исследовании белков. Например, если известен антиген данного антитела, то с помощью этого антитела можно идентифицировать исследуемый антиген в экспериментальном образце. В медицине в качестве биомаркеров и в XXI веке широко используются антитела, антигены которых неизвестны, но которые связывают у больных людей гораздо больше антигена, чем у здоровых. Например, гликопротеин CA-125 использовали как биомаркер рака яичников с 1981 года, когда были получены антитела к нему. Значительно позднее идентифицировали сам белок — муцин 16

[5].

Секвенирование последовательности белка[править | править код]

В 1953 году Фредерик Сенгер определил аминокислотную последовательность гормона инсулина. Для мечения и идентификации N-концевого остатка Сенгер предложил использовать 1-фтор-2,4-динитробензол[en]. После связывания с этим реагентом N-концевого остатка белка полипептидную цепь гидролизуют соляной кислотой до отдельных аминокислот и выявляют меченный остаток. Если белок состоит из нескольких полипептидных цепей, то пометятся оба N-концевых остатка, то есть будет установлено число отдельных полипептидных цепей в белке. Для секвенирования всей белковой последовательности чаще применяют метод секвенирования по Эдману

[6].

В 1950-х годах шведский химик Пер Эдман[en] изобрёл метод определения аминокислотной последовательности белков (секвенирование). Первый этап секвенирования по Эдману — обработка исследуемого пептида изотиоцианатом фенила, который взаимодействует с аминогруппой, давая фенилтиокарбомоильный радикал. При умеренном закислении раствора он отщепляется, захватывая вместе с собой N-концевую аминокислоту. В результате в раствор выходит тиазолинон с радикалом, специфичным для данной аминокислоты. Это производное анализируют хроматографически, определяя, какая аминокислота была на N-конце, и цикл повторяется. Если исследуемый белок закреплён на твёрдой подложке, то после каждой обработки изотиоцианатом фенила его можно промывать, удаляя тиазолинон с N-концевой кислотой, и начинать новый цикл. Метод Эдмана позволяет с высокой точностью определять последовательность длиной до 30 аминокислотных остатков. Высокая чувствительность метода также позволяет секвенировать менее 0,1 нмоль пептида с 99 % точностью. Длина полипептидной цепи, которую можно секвенировать методом Эдмана, зависит от эффективности отдельных стадий, которая, в свою очередь, определяется аминокислотным составом полипептида

[7].

Механизм химической реакции, лежащей в основе секвенирования по Эдману

В 1960-х был создан автоматический секвенатор, реализующий метод Эдмана. Первичную структуру инсулина, на определение которой у Сенгера ушло более 10 лет, в настоящее время можно получить за пару дней прямым секвенированием на белковом секвенаторе

[7]. Метод Эдмана сейчас изредка используют при исследовании организмов, геномные последовательности которых неизвестны[8][9][10]. Традиционное секвенирование белков также применяют в тех случаях, когда многие их особенности (например, посттрансляционные модификации) нельзя узнать только лишь из последовательности гена[11].

Большинство белков перед секвенированием необходимо приготовить к нему особым образом. Сначала в белке́ разрушают дисульфидные связи, если они есть, при помощи окисления надмуравьиной кислотой или восстановления дитиотреитолом. Далее белковую цепь дробят на фрагменты протеазами, поскольку секвенирование длинных белков имеет невысокую точность. Обычно для гидролиза используют трипсин, который действует только на те пептидные связи, карбонильная группа которых принадлежит остатку лизина или аргинина. Поэтому, если при полном гидролизе определить число лизиновых и аргининовых остатков в белке, можно предсказать, на сколько фрагментов распадётся белок после обработки трипсином. Полученные фрагменты далее чистят с помощью электрофореза

(см. ниже) или хроматографии и секвенируют по Эдману. Чтобы восстановить последовательность белка по фрагментам, его разрезают на куски ферментом, который распознаёт остатки, отличные от тех, которые распознаёт трипсин. На основании перекрытий двух полученных наборов фрагментов восстанавливают полную аминокислотную последовательность белка[12].

Для определения положения дисульфидных связей белок снова расщепляют трипсином, но не разрушая предварительно дисульфидные связи. Образующиеся фрагменты разделяют электрофорезом и сравнивают с набором фрагментов, полученных при первом расщеплении трипсином. Если между двумя фрагментами есть дисульфидная связь, то при разделении первого набора фрагментов они будут выглядеть на геле как две полосы, а при электрофорезе второго образуют единую полосу

[13].

Двумерный гель-электрофорез[править | править код]

Механизм химической реакции, лежащей в основе секвенирования по Эдману Денатурация белка под действием SDS Механизм химической реакции, лежащей в основе секвенирования по Эдману Два геля белкового электрофореза после окрашивания кумасси

В 1970—1980-х годах достигли расцвета методы выделения и очистки белков. Эти методы сочетали принципы хроматографии, электрофореза и центрифугирования; многие из них давно вышли из употребления, но некоторые используются и в XXI веке. В 1970-м году швейцарский учёный Ульрих Лэммли

[en] предложил метод разделения белков при помощи электрофореза в денатурирующих условиях. Сначала белки подвергали жёсткой денатурации под действием додецилсульфата натрия (англ. sodium dodecyl sulphate, SDS), который в виде слоя покрывал каждую белковую молекулу. Чем больше был белок, тем больше SDS связывалось с ним и тем больший отрицательный заряд приобретал их комплекс. Поэтому при нанесении образцов на полиакриламидный гель они начинали двигаться под действием электрического поля; при этом скорость движения белковых молекул зависит от их массы (более лёгкие белки перемещаются по гелю быстрее). Метод хорошо подходит для разделения белков с массой от 5 до 250 кДа[14].

Механизм химической реакции, лежащей в основе секвенирования по Эдману
Гели двумерного электрофореза, окрашенные кумасси

Метод Лэммли получил дальнейшее развитие. В 1975 году Патрик О’Фарелл и Йоахим Клозе независимо друг от друга предложили принцип так называемого двумерного электрофореза[en]: перед разделением по массе с помощью SDS белки предварительно разделяются согласно их изоэлектрической точке. Сначала белки вносят в стеклянную трубку, заполненную особыми полимерами, которые создают в ней неподвижный градиент pH. Белки распределяются по трубке, занимая места, pH которых равен их изоэлектрической точке. Далее содержимое трубки выдавливают и приплавляют к гелю для обычного электрофореза по Лэммли. Таким образом, сначала белки делятся по изоэлектрической точке, а потом по массе. В результате двумерного электрофореза каждому белку соответствует не полоса, как при обычном электрофорезе, а сфокусированное округлое пятно, размер и интенсивность окрашивания которого соответствуют концентрации белка. С помощью двумерного электрофореза можно разделять не только различные белки, но и изоформы одного и того же белка, а также формы белка с разными посттрансляционными модификациями. Были предложены различные усовершенствования методики двумерного электрофореза, некоторые его этапы, а также обработка отсканированных гелей, были автоматизированы. По сути, двумерный электрофорез — единственный способ наглядного представления протеома

[15][16][17].

Вестерн-блоттинг[править | править код]

Механизм химической реакции, лежащей в основе секвенирования по Эдману Схема вестерн-блоттинга. Белки разделяют при помощи электрофореза (1) и переносят на мембрану (2). Далее мембрану обрабатывают первыми (3) и вторыми (4) антителами, после чего выявляют полосы, связанные с антителами.

В ряде случаев необходимо установить, с какими клеточными белками взаимодействуют выделенные антитела. Нередко стоит и обратная задача: определить выделенный белок можно с помощью антител, специфически с ним связывающихся. Для этого существует метод вестерн-блоттинга, или иммуноблоттинга. При его применении вначале белки из исследуемого лизата разделяют при помощи гель-электрофореза, а из геля переносят на пористую мембрану. Далее мембрану последовательно обрабатывают антителами, специфичными к искомому белку, и радиоактивно-меченными антителами, связывающимися с первыми антителами. Иногда вместо вторых антител производят ферментативную реакцию с первыми антителами. В результате молекулы искомого белка, распознанные антителами, выявляются как полосы на авторадиограмме или пятна на мембране, по которым можно идентифицировать белок[18][19].

Масс-спектрометрия[править | править код]

Механизм химической реакции, лежащей в основе секвенирования по Эдману Схема масс-спектрометра, использующего ионизацию методом MALDI. Матрица, содержащая исследуемые молекулы, облучается лазером и ионизируется, ионизируя исследуемые пептиды, которые впоследствии и детектируются.

Масс-спектрометрия включает ряд методов, которые направлены на определение молекулярной массы исследуемых соединений. Она нашла широкое применение и в биологии, в особенности в протеомике. При применении масс-спектрометрии сначала белки, находящиеся в образце, ионизируют, потом в условиях вакуума ионы сортируются и детектируются, давая на выходе спектр, который дальше анализируется специальными вычислительными методами. В конечном итоге для каждого иона определяется значение отношения массы к заряду. Если заряд иона равен единице, то отношение численно равно его молекулярной массе. Поначалу использование масс-спектрометрии в биологии было ограничено из-за того, что ионизация была очень жёсткой и приводила к разрушению молекул. В 1980-х годах был разработан метод ионизации молекул лазером при их сокристаллизации со светочувствительным органическим веществом (его называют матрицей). Матрица окружает молекулы исследуемого вещества и под действием лазера ионизирует соседние молекулы. В некоторых условиях ионизацию можно провести без разрушения исследуемых молекул. Этот метод получил название опосредованная матрицей лазерная десорбция-ионизация (англ. matrix-assisted laser desorption ionisation, MALDI). Новый метод ионизации совместили с обычным масс-спектрометрометрическим детектором (времяпролётным, англ. time-of-flight, TOF). В этом детекторе ионы движутся в вакуумной трубке и достигают чувствительной пластины (фотоэлектронного умножителя), которая и является детектором. Время, за которое ион преодолевает длину трубки, обратно пропорционально его массе. В 1990-е и в начале 2000-х метод MALDI-TOF очень активно использовался для исследований белков[20][21].

Механизм химической реакции, лежащей в основе секвенирования по Эдману Сравнение принципов протеомики «снизу вверх» и «сверху вниз»

Из-за особенностей изотопного разделения пики в спектрах больших белков чрезвычайно сложно анализировать. По этой причине перед исследованием их с помощью фермента трипсина разрушают на пептиды массой 500—2500 Да, и затем по данным для пептидов восстанавливают информацию об исходном белке подобно тому, как при секвенировании нуклеиновых кислот нового поколения исходные последовательности собираются из коротких прочтений[en]. Этот подход называется «протеомикой снизу вверх[en]» (англ. bottom-up). Процесс сборки небезошибочен и приводит к большим потерям информации, поэтому в некоторых случаях исследуются целые белки без расщепления с помощью мощных детекторов сверхвысокого разрешения («протеомика сверху вниз[en]», англ. top-down)[22].

Набор молекулярных масс пептидов, которые были получены при обработке белка трипсином, уникален для каждого белка. Это связано в основном с высокой специфичностью трипсина, который вносит разрез только по остаткам лизина и аргинина. Сравнивая полученную картину молекулярных масс пептидов для исследуемого белка с пептидными картами белков из баз данных, можно установить, какой именно белок исследовался. Этот подход получил название пептидной дактилоскопии[23]. Поскольку полного соответствия экспериментального распределения масс пептидов и эталонных пептидных карт достичь невозможно, была введена количественная оценка (score) вероятности того, что экспериментальная пептидная карта соответствует данной теоретической. Для пептидной дактилоскопии были разработаны специальные программы, например, MOWSE[24].

Механизм химической реакции, лежащей в основе секвенирования по Эдману Схема тандемной масс-спектрометрии

Вместо фрагментации трипсином перед установкой образцов в масс-спектрометр фрагментацию белков на фрагменты можно осуществлять в самом масс-спектрометре, например, при помощи столкновения с молекулами инертных газов. При этом каждый пептид характеризуется массой иона-предшественника и набором масс ионов-фрагментов. Массы фрагментов можно измерить и по ним восстановить информацию об исходном белке, так как молекулярные массы фрагментов можно найти исходя из последовательности пептида. Такой подход получил название тандемной масс-спектрометрии[en] (MS-MS). Как и при пептидной дактилоскопии, в тандемной масс-спектрометрии имеет место вероятностная оценка того, что пептидная карта исследуемого белка соответствует одной из теоретических. В 2007 году для анализа данных тандемной масс-спектрометрии был предложен подход target-decoy. Суть этого подхода заключается в том, что при анализе данных к целевым теоретическим пептидам (target) стали добавлять равное количество бессмысленных, фальшивых (decoy) пептидов. Этот подход позволяет оценить качество анализа. Если анализ в качестве лучших соответствий выдаёт соответствие экспериментального белка с заведомо фальшивым, то он даёт ложноположительный результат[en], а подход target-decoy позволяет оценить долю ложноположительных результатов[25].

Механизм химической реакции, лежащей в основе секвенирования по Эдману Схема ионизации электроспреем. (1) Под действием высокого напряжения из капилляра выходит струя капель жидкости (аэрозоль). (2) Растворитель в аэрозоле испаряется, заряд начинает переходить на исследуемые молекулы. (3) От капли остаётся скопление заряженных ионов.

В качестве альтернативы MALDI ионизацию пептидов перед масс-спектрометрией можно осуществлять с помощью метода ионизации электрораспылением, или ионизации электроспреем (англ. electrospray ionisation, ESI). Жидкость, содержащая исследуемые белки, помещается в конический капилляр, а когда она выходит из капилляра, к ней прилагается сильное напряжение. В результате жидкость превращается в аэрозоль, и при испарении частиц аэрозоля в потоке инертного газа заряд может переходить на растворённые в аэрозоле биомолекулы, в том числе белки. При таком способе ионизации биомолекулы не разрушаются. Ионизацию электроспреем можно легко совместить с высокоэффективной жидкостной хроматографией: поток хроматографической фазы с колонки можно направить прямо в капилляр для электрораспыления. Таким образом, масс-спектрометр будет определять массы разделяемых в аналитической колонке молекул. Этот метод обозначают аббревиатурой LC-MS (от англ. англ. liquid chromatography-mass spectrometry)[26]. Идентификация белков в сложном растворе при помощи комбинации масс-спектрометрии и высокоэффективной жидкостной хроматографии получила название протеомики-дробовика, или скорострельной протеомики (англ. shotgun proteomics)[27].

Методы масс-спектрометрии могут быть использованы для направленного обнаружения искомых белков, то есть масс-спектрометр можно настроить таким образом, чтобы он видел только нужный пептид. Для этой цели используют прибор с детектором типа тройного квадруполя[en], то есть три одинаковых масс-спектрометра, последовательно передающие друг другу ионы. Первый масс-спектрометр отфильтровывает интересующий пептид, во втором он фрагментируется, а третий регистрирует от 3 до 5 заранее выбранных фрагментов. Количественный анализ производится на основе интенсивности фрагментов. Этот метод известен как мониторинг множественных реакций (англ. multiple reaction monitoring, MRM), или мониторинг выбранных реакций[en] (англ. selected reaction monitoring, SRM)[28].

Белок-белковые взаимодействия[править | править код]

Один из наиболее популярных методов изучения белок-белковых взаимодействий — использование дрожжевой двугибридной системы. Для этой цели получают два штамма гаплоидных дрожжей, один из которых исследуемый белок (приманка), а второй — белок, который необходимо проверить на предмет взаимодействия с первым (добыча). Далее гаплоидные клетки сливают с образованием диплоидных клеток дрожжей, экспрессирующих оба белка. Если белки взаимодействуют, то они оба составят транскрипционный фактор, запускающий экспрессию репортёрного гена. Если же взаимодействия между белками нет, то и экспрессия репортёрного гена не запускается. С помощью такого подхода у дрожжей S. cerevisiae при скрининге 6000 клонов добычи против 6000 клонов приманки удалось идентифицировать 691 белок-белковое взаимодействие, из которых только 88 были известны ранее[29]. В XXI веке для исследования белок-белковых взаимодействий применяются и другие методы, такие как плазмонный резонанс[30][31].

На основании данных о белок-белковых взаимодействиях в ряде случаев можно судить о функциях белка. Например, если известно, что белок взаимодействует с несколькими белками одного метаболического пути, вполне вероятно, что он тоже в нём задействован. Карты белковых взаимодействий называют интерактом. Существуют базы данных, хранящие информацию о взаимодействиях белков[32].

Данные о белок-белковых взаимодействий чрезвычайно важны для биологических сетей и системной биологии: они, например, используются при реконструкции сигнальных каскадов[33][34].

Белковые микрочипы[править | править код]

Белковые микрочипы разрабатываются для идентификации определённых белков в образце. По аналогии с ДНК-микрочипами, на твёрдую подложку наносятся очень маленькие капли, содержащие антитела. В каждой капле находятся меченые антитела к одному определённому белку, который добавляется на чип в виде флуоресцентно-меченной[en] пробы. После промывки флуоресценция детектируется только в тех каплях, в которых антитела связали исследуемый белок. Вместо антител можно использовать другие молекулы, специфически взаимодействующие с конкретными белками, например, олигонуклеотиды[35]. Белковые микрочипы также можно использовать для обнаружения белок-белковых взаимодействий и определения функций белков. В 2000-е годы белковые микрочипы автоматизированы. Они обладают высокой чувствительностью и требуют совсем небольшого количества исследуемого белка, благодаря чему отличаются экономичностью[36].

С помощью масс-спектрометрии и чипов можно получить информацию о фрагментах белка, но не о белке целиком. В связи с этим созданы программы, которые из фрагментарных данных масс-спектрометрии и чипов выдают данные о почти полностью собранных из этих фрагментов белков. Эти программы основаны на построении выравниваний фрагментов с известными белками из баз данных UniProt[37] и PROSITE[en][38].

В большинстве программ, анализирующих белки, не учитываются их посттрансляционные модификации[39]. Существующие инструменты, определяющие посттрансляционные модификации, имеют лишь предсказательный характер[40].

Вычислительные методы биоинформатики активно используются для изучения белков-биомаркеров. Так, с помощью компьютерных моделей удалось показать интенсивный обмен белками между организмом матери и плодом при беременности, причём для анализа требовался лишь неинвазивный забор крови у матери[41].

Развивается такое направление, как протеогеномика, которая использует методы протеомики для подтверждения данных, полученных из геномных последовательностей[42][43]. Существует также структурная протеомика, которая занимается широкомасштабным исследованием структур белков на основе данных рентгеноструктурного анализа и ЯМР-спектроскопии[44].

Последние достижения в количественной протеомике позволяют использовать её для глубокого анализа клеточных систем[33][34]. Описание поведения биологических систем в ответ на разнообразные воздействия (действия внешних факторов, изменения клеточной физиологии в связи с разными фазами клеточного цикла и тому подобные) на уровне изменения белкового состава позволяют глубже понять суть многих биологических процессов. Благодаря этому протеомику, наряду с геномикой, транскриптомикой, эпигеномикой?!, метаболомикой и другими «-омиками»[en], включают в состав нового научного направления — системной биологии. Так, Атлас протеома раковых клеток (англ. The Cancer Proteome Atlas) содержит количественные данные об экспрессии около 200 белков в более чем 4000 проанализированных опухолевых образцах, дополняя Атлас ракового генома (англ. The Cancer Genome Atlas), содержащий геномные и транскриптомные данные для этих белков[45].

С помощью MALDI-TOF можно определять патогенные микроорганизмы с точностью до родов и видов. Интактные бактериальные клетки наносят на металлическую мишень масс-спектрометра, покрывают матрицей, облучают лазером и получают специфичные профили, которые обученный алгоритм распознаёт по характерным массам[46].

Исследуется возможность использования протеомики для диагностики раковых заболеваний с помощью анализа белковых биомаркеров, а также определения степени злокачественности опухоли. В этом направлении уже достигнуты некоторые успехи. Например, в США разрешено использование разработанного в 2015 году теста Xpresys Lung, который использует таргетную масс-спектрометрию нескольких белков плазмы крови и оценивает степень злокачественности опухолевых узелков в лёгких[47].

Новейшие достижения протеомики — в области масс-спектрометрии, разделении белков органелл и мембранных белков — могут сделать возможными исследование протеома сердца и идентификацию модифицированных белков (а также определять характер их модификации). Данные по протеому сердца помогут понять механизмы разнообразных сердечно-сосудистых заболеваний[48].

Многие лекарственные препараты или сами являются белками, или действуют на определённые белки. Поэтому протеомику взяли на вооружение специалисты, занимающиеся разработкой лекарственных препаратов[en]. У большинства фармацевтических компаний есть подразделение, занимающееся протеомикой, или компания-партнёр, специализирующаяся на протеомике. Методы протеомики используют для подтверждения валидности мишеней разрабатываемых препаратов, определения эффективности биомаркеров, изучения механизма действия препарата и его токсичности. Методы протеомики используют, в частности, для поиска противомалярийных препаратов[en], которые связываются с пурин-связывающими белками на этапе размножения плазмодия в эритроцитах и выхода из них в кровь[48].

Сравнение протеомов двух организмов (необязательно близкородственных) позволяет выявить как общие для этих двух организмов белки, так и белки, которые обусловливают различия их фенотипов. Такой анализ может давать информацию, полезную для понимания эволюционного процесса[49], а иногда позволяет определить ранее неизвестные функции белков. Например, при помощи сравнительной протеомики были выявлены белки насекомого Nilaparvata lugens[en], вовлечённые в процессы, связанные с размножением, чья экспрессия изменяется в ответ на обработку инсектицидами[50].

История протеомики начинается с 1950 года, когда Эдман предложил метод секвенирования белков. В 1958 году исследовательская группа Фредерика Сенгера определила аминокислотную последовательность инсулина. В 1959 году зародился метод иммуноанализа[en], который имеет огромное значение для изучения белков. В 1967 году был создан первый автоматический секвенатор, определяющий аминокислотные последовательности белков по методу Эдмана. В 1970 году Лэммли предложил метод разделения белков с помощью электрофореза в денатурирующем полиакриламидном геле, а в 1975 году на его основе была предложена методика двумерного электрофореза. В 1984 году был изобретён метод ионизации электроспреем, что позволило изучать белки с помощью масс-спектрометрии без их разрушения, а в 1985 году был предложен метод ионизации MALDI. В 1994 году появились первые пептидные карты для масс-спектрометрии. В 1996 году аспирант Марк Уилкинс ввёл в употребление термин «протеом», и уже в следующем году появился термин «протеомика». В 1999 году появились первые программы для предсказания фрагментов, массы которых будут определены с помощью масс-спектрометрии, по последовательности белка. В 2001 году зародилась скорострельная (shotgun) протеомика, и к 2014 году с помощью этого метода стало возможным идентифицировать 20 тысяч белков человека в одном образце[51]. В настоящее время происходит не только развитие и усовершенствование методов протеомики, таких как различные разновидности масс-спектрометрии, но и новых программ для интерпретации протеомных данных[52].

  1. James P. Protein identification in the post-genome era: the rapid rise of proteomics. (англ.) // Quarterly Reviews Of Biophysics. — 1997. — November (vol. 30, no. 4). — P. 279—331. — PMID 9634650. [исправить]
  2. 1 2 Уилсон и Уолкер, 2015, с. 438.
  3. Belle A., Tanay A., Bitincka L., Shamir R., O’Shea E. K. Quantification of protein half-lives in the budding yeast proteome. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 2006. — 29 August (vol. 103, no. 35). — P. 13004—13009. — doi:10.1073/pnas.0605420103. — PMID 16916930. [исправить]
  4. Нолтинг Б. Новейшие методы исследования биосистем. — М.: ТЕХНОСФЕРА, 2005. — С. 185. — 256 с. — ISBN 94836-044-X.
  5. Bast R C, Feeney M, Lazarus H, Nadler L M, Colvin R B, Knapp R C. Reactivity of a monoclonal antibody with human ovarian carcinoma. (англ.) // Journal of Clinical Investigation. — 1981. — 1 November (vol. 68, no. 5). — P. 1331—1337. — ISSN 0021-9738. — doi:10.1172/JCI110380. [исправить]
  6. ↑ Нельсон и Кокс, 2017, с. 143—145.
  7. 1 2 Нельсон и Кокс, 2017, с. 145.
  8. Edman Pehr, Högfeldt Erik, Sillén Lars Gunnar, Kinell Per-Olof. Method for Determination of the Amino Acid Sequence in Peptides. (англ.) // Acta Chemica Scandinavica. — 1950. — Vol. 4. — P. 283—293. — ISSN 0904-213X. — doi:10.3891/acta.chem.scand.04-0283. [исправить]
  9. Edman P., Begg G. A protein sequenator. (англ.) // European Journal Of Biochemistry. — 1967. — March (vol. 1, no. 1). — P. 80—91. — PMID 6059350. [исправить]
  10. Niall Hugh D. [36 Automated edman degradation: The protein sequenator] (англ.) // Methods in Enzymology. — 1973. — P. 942—1010. — ISBN 9780121818906. — ISSN 0076-6879. — doi:10.1016/S0076-6879(73)27039-8. [исправить]
  11. ↑ Нельсон и Кокс, 2017, с. 143.
  12. ↑ Нельсон и Кокс, 2017, с. 145—147.
  13. ↑ Нельсон и Кокс, 2017, с. 147.
  14. LAEMMLI U. K. Cleavage of Structural Proteins during the Assembly of the Head of Bacteriophage T4 (англ.) // Nature. — 1970. — August (vol. 227, no. 5259). — P. 680—685. — ISSN 0028-0836. — doi:10.1038/227680a0. [исправить]
  15. O’Farrell P. H. High resolution two-dimensional electrophoresis of proteins. (англ.) // The Journal Of Biological Chemistry. — 1975. — 25 May (vol. 250, no. 10). — P. 4007—4021. — PMID 236308. [исправить]
  16. Klose J. Protein mapping by combined isoelectric focusing and electrophoresis of mouse tissues. A novel approach to testing for induced point mutations in mammals. (англ.) // Humangenetik. — 1975. — Vol. 26, no. 3. — P. 231—243. — PMID 1093965. [исправить]
  17. Bandow J. E., Baker J. D., Berth M., Painter C., Sepulveda O. J., Clark K. A., Kilty I., VanBogelen R. A. Improved image analysis workflow for 2-D gels enables large-scale 2-D gel-based proteomics studies—COPD biomarker discovery study. (англ.) // Proteomics. — 2008. — August (vol. 8, no. 15). — P. 3030—3041. — doi:10.1002/pmic.200701184. — PMID 18618493. [исправить]
  18. Renart J., Reiser J., Stark G. R. Transfer of proteins from gels to diazobenzyloxymethyl-paper and detection with antisera: a method for studying antibody specificity and antigen structure. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1979. — July (vol. 76, no. 7). — P. 3116—3120. — PMID 91164. [исправ

Геномика — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 1 октября 2019; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 1 октября 2019; проверки требует 1 правка.

Гено́мика — раздел молекулярной генетики, посвящённый изучению генома и генов живых организмов.

Геномика сформировалась как особое направление в 1980—1990-х годах вместе с возникновением первых проектов по секвенированию геномов некоторых видов живых организмов. Первым был полностью секвенирован геном бактериофага Φ-X174; (5368 нуклеотидов) в 1977 году. Следующим этапным событием было секвенирование генома бактерии Haemophilus influenzae (1,8 Mб; 1995 год). После этого были полностью секвенированы геномы ещё нескольких видов, включая геном человека (2001 год — первый черновой вариант, 2003 год — завершение проекта). Её развитие стало возможно не только благодаря совершенствованию биохимических методик, но и благодаря появлению более мощной вычислительной техники, которая позволила работать с огромными массивами данных. Протяженность геномов у живых организмов подчас измеряется миллиардами пар оснований. Например, объём генома человека составляет порядка 3 млрд пар оснований. Самый крупный из известных (на начало 2010 года) геномов принадлежит одному из видов двоякодышащих рыб (примерно 110 млрд пар).

Структурная геномика[править | править код]

Структурная геномика — содержание и организация геномной информации. Имеет целью изучение генов с известной структурой для понимания их функции, а также определение пространственного строения максимального числа «ключевых» белковых молекул и его влияния на взаимодействия[1][2].

Функциональная геномика[править | править код]

Функциональная геномика — реализация информации, записанной в геноме, от гена — к признаку.

Сравнительная геномика[править | править код]

Сравнительная геномика (эволюционная) — сравнительные исследования содержания и организации геномов разных организмов.

Получение полных последовательностей геномов позволило пролить свет на степень различий между геномами разных живых организмов. Ниже в таблице представлены предварительные данные о сходстве геномов разных организмов с геномом человека. Сходство дано в процентах (отражает долю пар оснований, идентичных у двух сравниваемых видов).

Вид Сходство Примечания и источники[3]
Человек 99,9 % Human Genome Project
100 % Однояйцевые близнецы
Шимпанзе 98,4 % Americans for Medical Progress; Jon Entine в San Francisco Examiner
98,7 % Richard Mural из Celera Genomics, цитируется в MSNBC
Бонобо, или карликовый шимпанзе То же, что и для шимпанзе
Горилла 98,38 % Основано на изучении интергенной неповторяющейся ДНК (American Journal of Human Genetics, февраль 2001, 682, с. 444—456)
Мышь 98 % Americans for Medical Progress
85 % при сравнении всех последовательностей, кодирующих белки, NHGRI
Собака 95 % Jon Entine в San Francisco Examiner
C. elegans 74 % Jon Entine в San Francisco Examiner
Банан 50 % Americans for Medical Progress
Нарцисс 35 % Steven Rose в The Guardian от 22 января 2004

Музеогеномика[править | править код]

Музеогеномика — отрасль науки, занимающаяся расшифровкой генетической информации останков биологических объектов, хранящихся в зоологических, биологических, палеонтологических музеях[4]. Является важным направлением исследований в палеонтологии, палеоботанике, палеоантропологии, археологии. Музеогеномика позволяет выяснить, от каких животных и когда вирусы перешли к человеку, проанализировать степень родства различных видов беспозвоночных, как менялся геном живых организмов со временем, проследить влияние загрязнения окружающей среды.

Примеры применения геномики в медицине[править | править код]

В больнице Висконсина ребёнок в возрасте трёх лет долгое время ставил врачей в тупик, его кишечник отёк и был полностью пронизан абсцессами. К своим трём годам этот ребёнок пережил более ста отдельных хирургических операций. Для него был заказан полный сиквенс кодирующих участков его ДНК, по результатам с помощью подручных средств был выявлен виновник заболевания — белок XIAP, участвующий в сигнальных цепях запрограммированной клеточной смерти. При нормальной работе он играет очень важную роль в иммунной системе. На основе такого диагноза физиологами была рекомендована трансплантация костного мозга в июне 2010 года. К середине июня ребёнок уже смог впервые в своей жизни поесть.[источник не указан 2613 дней]

Другой случай связан был с нетипичным раковым заболеванием у 39-летней женщины, страдающей острой формой промиелоцитарной лейкемии. При стандартных методах диагностики, однако, заболевание не было выявлено. А вот при расшифровке и анализе генома раковых клеток выяснилось, что крупный участок 15-й хромосомы переместился на 17-ю, что вызвало определённое генное взаимодействие. В результате женщина получила необходимое ей лечение.[источник не указан 2613 дней]

  1. Чугунов Антон. Ловля бабочек, или чем структурная геномика поможет биологии (рус.). Биомолекула.ру (14.03.2009). Дата обращения 22 января 2010. Архивировано 11 февраля 2012 года.
  2. Ясный И.Е., Цыбина Т.А., Шамшурин Д.В., Колосов П.М. Структурная геномика и медицина // Молекулярная медицина. — 2009. — № 6. — С. 15—20. Архивировано 21 марта 2012 года.
  3. ↑ Эти данные были найдены в различных вторичных источниках, и, скорее всего, они были получены разными методами (такими, как гибридизация ДНК или выравнивание последовательностей). Следует отметить, что разные методы могут давать различные результаты, даже будучи примененными к одной и той же паре сравниваемых видов, поэтому все цифры, приведённые в данной таблице, следует рассматривать как весьма приблизительные.
  4. Александр Волков Музеогеномика — новая научная ниша // Знание-сила. — 2015. — № 11. — С. 5—14
  • Alistair R. R. Forrest et al. (2014). A promoter-level mammalian expression atlas. Nature, 507 (7493): 462 doi:10.1038/nature13182
  • Andersson, R. et al.(2014) An atlas of active enhancers across human cell types and tissues. Nature 507, 455—461 doi:10.1038/nature12787

«Омики» — эпоха большой биологии

Благодаря нашумевшему проекту «Геном человека» слов с суффиксом «-ом» становится все больше. Появление вслед за генóмом и протеóмом большого количества новых омов — свидетельство важной тенденции в мире современной биологии. Все больше проводится крупномасштабных исследований, результатом которых становится не описание отдельных молекул, а большие массивы сложно организованных данных. О том, какие новые дисциплины появились в эпоху большой биологии и какое развитие получили «классические» омики, рассказывается в этой статье.

В 1920 году ботаник Ганс Винклер (Hans Winkler) не мог и предположить, какая судьба ждет термин «геном», который он предложил для обозначения совокупности хромосом организма. Некоторые «омы» тогда уже существовали: например, биом (совокупность живых организмов) и ризом (корневая система растения). Все они основаны на греческом суффиксе «-ом», означающем «имеющий природу». Но именно популяризация слова «геном» при участии проекта Геном человека [1] привела к появлению моды на омы и омики. Алекса МакКрей (Alexa McCray), специалист по лингвистике и медицинской информации в Гарварде, комментирует: «Используя суффикс „-ом“, вы показываете, что принадлежите к абсолютно новой увлекательной области науки» [2].

В последние годы ученые начали осознавать маркетинговый потенциал этого вдохновляющего суффикса. Джонатан Эйсен (Jonathan Eisen), микробиолог из Университета Калифорнии в Дэвисе, отмечает: «Люди пытаются убедить окружающих, что область их исследований — самостоятельная отрасль науки, и что она заслуживает особого финансирования» [2]. И, несмотря на то, что названия некоторых омик заставляют удивленно приподнять бровь (например, цилиомика — изучение различных выростов на поверхности клеток), исследователи убеждены, что часть из них действительно заслуживает права быть отдельной областью исследований. При этом некоторые омики уже прочно заняли свое место в современной биологии — например, геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика, — названия других все еще звучат непривычно, но все они отражают движение к новой «большой», интегративной биологии. О некоторых из этих новых дисциплин будет рассказано в этой статье.

Классические «омы»

Геном

В нашу «постгеномную» эру непросто найти того, кто не слышал о проекте «Геном человека» [1]. Если описать его коротко: 13 лет (1990–2003), три миллиарда нуклеотидов, три миллиарда долларов. Не все ожидания ученых оправдались (последовательность ДНК расшифрована, но не всегда понятно, что она кодирует), но технологическому прорыву в генетических исследованиях последнего десятилетия мы во многом обязаны именно работе над геномом человека. Вслед за ним стали активно секвенировать геномы других млекопитающих: 2002 — геном мыши, 2004 — крысы, 2005 — шимпанзе, 2007 — макаки [10] и так далее (в настоящий момент известны последовательности геномов почти 30 млекопитающих, а дальше это число будет только расти). Кроме этого, расшифровка генома человека привела к появлению специализированных геномных проектов, цель которых — описать работу определенной группы генов, связанных с работой отдельных систем органов или развитием какого-либо заболевания.

Транскриптом

Транскриптом — это совокупность всех молекул РНК, которые синтезируются в клетке, в каком-то органе или ткани. Интересно, что хотя транскриптом и является продуктом экспрессии нашего генома, ни один из них не обеспечивает полное описание другого. Это связано с тем, что, с одной стороны, в геноме немало так называемой «мусорной» ДНК, которая ничего не кодирует (по крайней мере, так кажется). С другой стороны, существуют процессы, которые изменяют РНК после транскрипции: например, процесс редактирования РНК, который, согласно недавним исследованиям [11], распространен очень широко и происходит на более чем 90% всех мРНК. Кроме того, нельзя забывать, что в составе транскриптома есть не только белок-кодирующие мРНК, но и другие виды РНК — начиная от тРНК и рРНК и до различных видов малых регуляторных РНК [12].

Последовательность генома является более-менее постоянной характеристикой организма (хотя есть и исключения — например, последовательности некоторых генов разительно отличаются друг от друга в ДНК лимфоцитов одного человека). Транскриптом же может являться постоянной характеристикой органа, ткани или отдельной популяции клеток, т.к. разные типы клеток выполняют разные функции и экспрессируют разные гены, причем он также может зависеть от условий окружающей среды и меняться во времени. Именно поэтому в последнее время ученые все больше занимаются исследованиями транскриптома клеток определенного типа (например, эмбриональных стволовых клеток) или отдельных органов (например, транскриптома мозга человека [13]).

Протеом

Так как разные клетки в разные моменты времени экспрессируют разные гены, то не только набор РНК не будет одинаковым во всем организме, но и набор белков будет различаться. Это соображение подтолкнуло ученых к исследованию протеома человека — созданию полного перечня белков, которые присутствуют в разных клетках и тканях человека в каждый момент времени. Ученые сформировали международную организацию Human Proteom Organisation (HUPO), которая возглавила проект «Протеом человека» (Human Proteom Project, HPP), запущенный в 2008 году (об этом событии Биомолекула уже писала [14]). Одна из сложностей этого проекта — невероятное разнообразие белков в организме человека, ведь один ген может обеспечивать синтез нескольких вариантов одного белка, которые в дальнейшем могут подвергаться дополнительным химическим модификациям. В результате HPP разделился на два проекта — C-HPP и B/D-HPP. В первом из них разные группы ученых изучаются белки, закодированные на той или иной хромосоме (хромосому 18 изучает группа российских ученых в НИИ биомедицинской химии им. Ореховича в Москве). Во втором проекте изучаются группы белков согласно их биологической роли или вовлеченности в развитие тех или иных заболеваний. К настоящему моменту исследование протеома человека все еще находится в своей начальной стадии, на которой научные группы ищут новые подходы к анализу белков и подбирают биоинформатические алгоритмы [15], однако можно надеяться, что не за горами и первые успехи этого проекта.

Метаболом

Словом «метаболом» описывают совокупность небольших молекул-метаболитов, которые можно найти в клетке, ткани или целом организме. К метаболитам относят молекулы молекулярной массой не более 1 кДа (это как небольшие пептиды, например, некоторые гормоны, так и другие биологически важные органические вещества — антибиотики, липиды и другие вторичные метаболиты). В настоящее время все результаты исследования метаболома собираются в единую базу данных — Human Metabolome Database. Сейчас в этой базе собраны данные по более чем 40 тысячам различных метаболитов. Для каждого из этих веществ создана учетная запись — MetaboCard — которая не только исчерпывающе описывает химические свойства метаболита, но и то, с какими белками или нуклеиновыми кислотами это вещество может взаимодействовать и какое значение оно имеет в клинической практике (связь с заболеваниями или лекарствами).

В настоящее время метаболомика помогает ученым исследовать как физиологию человеческого организма, так и обнаруживать или лечить различные болезни. Одно из широких применений метаболомных исследований — поиск биохимических маркеров различных заболеваний, например, для болезни Паркинсона [16]. В таких исследованиях ученые пытаются обнаружить вещества, изменение концентрации которых в крови может помочь поставить диагноз на ранней стадии и своевременно начать лечение [17].

Инциденталом (incidentalome)

Карикатура

Рисунок 1. «К сожалению, я не могу принять вас на работу, т.к. нам не нравятся последовательности вашей ДНК, отвечающие за характер». Помимо проблемы инциденталома возможность определить последовательность персонального генома таит в себе и другие опасности. Например, как поведет себя ваш начальник, если узнает что-то об особенностях вашей ДНК?

Термин «инциденталом» был впервые применен Исааком Кохане (Isaac Kohane), изучающим проблемы медицинской информации в детском госпитале в Бостоне. Несмотря на то, что тогда еще не было современных технологий, сделавших персональный геном реальностью, в своей статье 2006 года [3] Кохане высказал опасение, что увеличивающаяся доступность генетической информации в скором времени приведет к сложной этической проблеме в медицине.

Необычное название происходит от слэнгового термина врачей — «инциденталóма» (от англ. incident — случайность) — бессимптомная опухоль, обнаружившаяся при обследовании больного в связи с другими жалобами. Что-то похожее происходит и при изучении генома человека — выясняется неожиданная информация, которую никто не искал. Поиск генетических причин проблем со слухом у ребенка, например, может выявить повышенный риск развития сердечных заболеваний или рака в старшем возрасте. Но стоит ли сообщать об этом пациенту, и если стоит — то когда?

Проведенное в 2012-м году исследование [4] показало масштабы этической проблемы. Среди 16 специалистов-генетиков провели опрос о ряде мутаций, вовлеченных в развитие 99 распространенных генетических заболеваний. Эти мутации могут обнаружиться в ходе полномасштабного секвенирования генома независимо от того, нужно это врачу или нет. Примерно в четверти случаев этих заболеваний и связанных с ними мутаций все 16 опрошенных специалистов выразили готовность проинформировать своих взрослых пациентов о результатах секвенирования. Но только 10 сделали бы это для болезни Хантингтона [5] — неизлечимого нейродегенеративного заболевания — и еще меньшее согласие было по поводу некоторых других сложных заболеваний, и того, что стоит говорить родителям, если мутации обнаружены у их ребенка.

Самая большая проблема секвенирования персонального генома — наличие в геноме человека большого количества вариаций, роль которых в поддержании здоровья человека еще неизвестна. Один из возможных путей решения проблемы инциденталома — предоставление пациенту выбора, какую информацию о своем геноме он хотел бы знать, а какую — нет.

Феном (phenome)

С развитием методов секвенирования нового поколения [6] «прочесть» геном человека стало не такой уж трудной задачей. То, чего не хватает, это фенóмы: точное описание фенотипа — т.е. всех физических и поведенческих характеристик человека. Больше всего исследователей интересуют те характеристики, которые связаны с болезнями: патологии внешнего облика, когда и почему был поставлен диагноз. Причем хорошо было бы иметь эти описания в такой форме, которая доступна для восприятия компьютеру, чтобы связать фенотипические параметры с особенностями генома.

Как часто бывает в биологии, исследования в новой области начались с лабораторных организмов. Феномные проекты уже ведутся для мыши, крысы, дрожжей, рыбки данио и растения арабидопсис. Самый лучший подход для этих исследований — последовательное выключение отдельных генов и изучение изменений внешности, поведения и метаболизма, которые последуют за такой мутацией. Такое, разумеется, невозможно применить к человеку, но специалисты надеются получить необходимую информацию, тщательно записывая историю болезни пациентов, хотя тут их ждет немало сложностей.

Даже для «менделевских» заболеваний, которые вызываются мутацией в одном гене, не всегда легко обнаружить ген-причину. Из более чем шести тысяч редких наследственных заболеваний менее чем для половины удалось определить их генетическую основу. Одна из проблем в этой области — найти достаточное количество больных, так как некоторые болезни встречаются у одного человека из миллиона. «Возможно, мы бы разобрались с большинством „менделевских“ заболеваний, если бы у нас был доступ к достаточному количеству хорошо описанных случаев», — говорит Михаэль Бамшад (Michael Bamshad), генетик Университета Вашингтона в Сиэттле.

Для этого нужно обработать записи о пациентах из разных стран и континентов. При этом многие исследовательские и медицинские центры уже давно имеют устоявшуюся систему терминов для описания и характеристики различных отклонений. Из-за этого объединить источники бывает непросто, ведь если один и тот же симптом будет описан одним врачом как «боль в желудке», а другим как «гастроэнтерит», то эти пациенты не могут быть объединены в одну группу, объясняет Ричард Коттон (Richard Cotton), генетик из Университета Мельбурна в Австралии.

В ноябре 2012 года Коттон был одним из участников съезда «Подготовка к проекту фенома человека» [7] в Сан-Франциско (США). Главной задачей съезда было сделать обмен фенотипической информацией между учеными проще и удобнее. Консорциум по изучению редких заболеваний, который называется Orphanet, пытается добиться от врачей и исследователей соглашения об одной-двух тысячах стандартных терминов. Это поможет привести в порядок часто разрозненно оформленные и запутанные электронные медицинские записи для того, чтобы компьютерные программы могли автоматически сортировать и обрабатывать их.

Интерактом (interactome)

Центральная догма молекулярной биологии напрямую выводит нас к трем главным «омам» — геному (ДНК), транскриптому (РНК) и протеому (белки). Но для понимания устройства живых организмов недостаточно описать все компоненты живых систем, нужно еще и разобраться, как они взаимодействуют. Всё в живых организмах — жизнь и смерть отдельных клеток, развитие зародыша из зиготы и работа нейронов — обеспечивается взаимодействием молекул между собой. Термин «интерактом» происходит от английского to interact — взаимодействовать — и описывает все возможные взаимодействия молекул друг с другом. По уровню сложности его можно назвать «королем» омов: рассмотрев только парные взаимодействия для известных 20 тысяч белков, мы получим уже около 200 миллионов вариантов.

Но некоторых ученых не пугает масштаб стоящей перед ними задачи. Марк Видал (Marc Vidal), специалист по системной биологии в Институте изучения рака в Бостоне, надеется еще до своего ухода на пенсию увидеть черновой набросок всех взаимодействий, кодируемых геномом. «Это то, над чем мы работали последние 20 лет, и мы уже вплотную приблизились к нашей цели», — говорит он [2].

Интерактом мембранных белков дрожжей

Рисунок 2. Интерактом мембранных белков дрожжей. Белки, обозначенные кружками, объединены в несколько групп (белки ЭПС, пероксисом, плазматической мембраны и др.). Линии, соединяющие кружки, показывают взаимодействующую пару белков.

К настоящему времени команда Видала и несколько других лабораторий описали около 10–15% белок-белковых взаимодействий в организме человека. Для этого они использовали особые генетически модифицированные клетки, которые подают сигнал, если изучаемая пара белков взаимодействует. Другие ученые добиваются этого с помощью извлечения белков из искусственно разрушенных клеток и анализа белковых пар, которые при этом можно обнаружить. Третьи — изучают литературу и разрабатывают методы компьютерного предсказания возможных взаимодействий на основе пространственной структуры белков. Важно, что сейчас ученые начинают понимать, как отделить зерна от плевел и вычленить естественные взаимодействия, отбросив ложные результаты. Одним из важных критериев для такого отбора служит возможность получить один и тот же результат при использовании разных техник. Но даже в условиях еще не законченного интерактома ученые уже могут и начинают все активнее обращаться к уже полученным в этой области данным.

Хайюан Ю (Haiyuan Yu), системный биолог из Корнелльского университета, и его коллеги протестировали около 18 миллионов потенциальных белковых пар и просмотрели все доступные базы данных для того, чтобы выделить 20 614 взаимодействий между 7410 человеческими белками. Примерно для пятой части этих белков исследователи могут назвать взаимодействующие участки (домены) белков. Они обнаружили, что связанные с болезнями мутации чаще всего обнаруживаются именно в местах контакта поврежденного белка с другими белками. Например, заболевание крови — синдром Вискотта-Олдрича — возникает при наличии мутации в белке WASP, но только в том случае, если эта мутация попадает в участок, с помощью которого WASP взаимодействует с белком VASP. Как отмечает Ю, генетические различия, не объясняющие нам ничего при исследовании последовательности генов, приобретают особый смысл при исследовании взаимодействий белков.

Видал считает, что вся информация о взаимодействиях белков может быть разложена на два уровня, которые в сумме составят полный интерактом. В основе должно лежать описание всех парных взаимодействий, уровнем выше — описательная характеристика этих контактов (сколько он длится, в каких условиях возникает, и какие части белков взаимодействуют).

В не очень далеком будущем, считает Видал, врач будет привлекать к диагностике не только последовательность генома пациента, но и внимательно анализировать все последствия изменений интерактома, не говоря уже о влиянии этих изменений на феном. Геном, в конце концов, абсолютно статичен, и именно интерактом меняется под действием внешних факторов.

Токсом (toxome)

Томас Хартунг (Thomas Hartung) хочет узнать все о том, как маленькие молекулы могут навредить человеку. Для этого он создал проект токсома человека (Human Toxome Project), который к настоящему моменту существует уже более шести лет. Суффикс «-ом», по словам Хартунга, призван подчеркнуть масштабный характер проекта, цель которого — описать все клеточные процессы, связанные с проявлением токсичности.

Проверка токсичности конкретного вещества с помощью лабораторных животных обходится исследователям и государственным организациям в миллионы долларов, однако даже при этом лабораторные тесты могут неправильно предсказывать реакцию человеческого организма. Каждое шестое лекарство сталкивается с проблемой токсических эффектов на стадии клинических испытаний с участием людей. Хартунг считает, что токсом мог бы помочь в разработке удобных и более дешевых лабораторных тестов, которые будут основаны на человеческих клетках и смогут заменить исследования на животных. Понимание того, какие клеточные пути затрагивает исследуемое вещество, может помочь ученым в разработке менее токсичных аналогов.

Для начала Хартунг планирует подвергнуть клетки действию различных токсических веществ и проследить за изменениями их метаболома и транскриптома. Он надеется обнаружить, в каких местах метаболических или сигнальных каскадов происходят нарушения, приводящие к изменению работы гормонов, отравлению клеток печени, изменению сердечного ритма или другим отклонениям в работе организма человека. По мнению Хартунга, общее количество таких внутриклеточных путей составит всего пару сотен — достаточно небольшое количество для создания токсикологических тестов. Пока проект все еще находится на начальном этапе развития — ученые пробуют разные экспериментальные подходы и ищут те, которые дают одинаковый результат в разных лабораториях.

Конечно, нельзя забывать о том, что даже если вещество выглядит безопасным при тестировании в культуре клеток, при попадании в организм оно может повести себя по-другому, — например, превратиться в токсин в результате обработки печеночными ферментами. Но даже с учетом возможных ошибок, разработка новых токсикологических тестов с помощью токсома человека должна сильно упростить тестирование лекарственных и пищевых веществ и сохранить не только государственные деньги, но и жизни лабораторных животных.

Интегром (integrome)

Путь к разгадке самых сложных загадок биологии лежит, по мнению Юджина Колкера (Eugene Kolker), не в создании новых омов и омик, а в объединении — интеграции — тех, которые уже есть. Поприветствуйте интегром — информация по всем омам в одном котле, которая благодаря обобщающему анализу может открыть много нового и интересного.

Представьте себе Google-карты: несколько карт, показывающих по отдельности расположение улиц, заправок и ресторанов пригодились бы нам гораздо меньше, чем знание о том, что на какой-то конкретной улице рядом с рестораном расположена заправочная станция. Но большинство современных омик останавливается именно на этапе создания списков — генов, белков, РНК. Такой подход исключает изучение взаимодействий и упускает многое — например, то, что изменение двух несвязанных белков может привести к одинаковому результату, т.к. их метаболические пути частично перекрываются.

В лаборатории Трея Идекера (Trey Ideker) был разработан подход, который может сделать создание интегрома реальностью уже в ближайшем будущем. Ученые создали метод автоматизированного анализа и объединения отдельных омик: компьютерная программа изучает несколько баз данных и ищет общие принципы, по которым можно определить функцию гена, а затем использует полученные знания для того, чтобы классифицировать еще не изученные гены (рис. 3) [8]. Таким образом, используется не традиционный поход, при котором теоретически разработанная система понятий используется для объяснения данных, а на основе эмпирических данных создается новая описательная система. Первое тестирование системы было произведено на базах данных по дрожжам-сахаромицетам, и полученные результаты вселили энтузиазм в исследователей. Подобные компьютерные алгоритмы, конечно, не смогут заменить кураторов-людей, но станут хорошим дополнением и помощью в облегчении их работы.

Интегром

Рисунок 3. Такие красивые деревья получаются при визуализации по методу лаборатории Идекера для компьютерного создания интегрома. Кружки представляют собой группы генов, созданные по определенному признаку, размер кружка определяет размер группы, а насыщенность окраски — степень близости последовательностей генов внутри группы.

В 2012-м году генетик из Стэнфордского университета Михаэль Снайдер (Michael Snyder) опубликовал свой личный интегром (хотя он называет его «обобщенный личный профиль омик», а некоторые другие ученые с немалой долей иронии — «нарциссóм»), объединяющий данные по его геному, транскриптому, протеому и метаболому. Последовательность ДНК генома Снайдера выявила повышенный риск развития диабета, и во время работы над проектом врачи действительно выявили у него повышенный уровень сахара в крови [9]. Интересно, что в интегроме Снайдера были выявлены и некоторые другие биохимические отклонения, которые раньше не связывали с развитием этого заболевания.

Интегративная биология

За последние годы развитие крупномасштабных исследований в биологии стремительно набирает обороты: различные омы создаются не только в области молекулярной биологии, но и в других областях — например, коннектом для описания связи всех нейронов в мозге человека и животных или микробиом для описания сообществ микроорганизмов, обитающих в организме человека. В то же время появляется новая тенденция — объединять уже имеющиеся базы данных для выяснения связи между разными системами в живом организме, создавать проекты, в рамках которых ученые из разных областей биологии дополняют эксперименты друг друга для создания новой интегративной биологии.

Новые геномики

Геном и сознание — когнитивная геномика

Специалистов по когнитивной геномике интересуют гены и некодирующие последовательности, которые необходимы для развития и функционирования головного мозга. Сопоставляя геномы разных животных, они пытаются определить, какие гены обеспечивают особенности нервной системы человека, его поведение и интеллектуальные способности. Эти подходы используются и для выявления генетических факторов развития болезней нервной системы (синдрома Дауна, болезни Альцгеймера и др.). Например, лаборатория когнитивной геномики в Пекинском институте геномики изучает как интеллект человека, так и его нарушение — прозопагнозию, а Институт когнитивной геномики им. Стэнли (США) — различные когнитивные заболевания, например, шизофрению, биполярное расстройство и аутизм.

Интересные данные в этой области получили недавно исследователи из Консорциума по психиатрической геномике Университета Северной Каролины. Они провели полногеномный скрининг сайтов однонуклеотидных замен (SNP) для пациентов с пятью различными заболеваниями: аутизм, синдром дефицита внимания и гиперактивности, биполярного расстройства, депрессии и шизофрении [18]. Были выявлены участки генома, изменения в которых коррелируют с развитием всех пяти заболеваний. Оказалось, что эти изменения затрагивают гены кальциевых каналов.

Кальций играет важную роль в работе всех клеток человеческого организма, но особенно важен он для нервных клеток, т.к. необходим для передачи химических сигналов между нейронами. Поэтому, с одной стороны, нарушение кальциевого транспорта при различных заболеваниях нервной системы не вызывает изумления ученых («кальциевые» гипотезы патогенеза уже достаточно давно существуют для ряда нейродегенеративных заболеваний, включая болезни Альцгеймера и Хантингтона [5], [19]). С другой стороны, это исследование показало, что гораздо большее количество психических и неврологических отклонений может быть основано на этих же механизмах. Кроме того, как утверждают авторы статьи, их результаты свидетельствуют в пользу возможности применения в диагностической психиатрии не только описания внешних психических симптомов, но и генетических данных.

Геном и лекарства — фармакогеномика

Активно развивающаяся в последние годы фармакогеномика появилась в результате взаимодействия опытной фармакогенетики с молодой геномикой. В результате получилась область геномики, исследующая, каким образом совокупность наследственной информации человека может влиять на эффект от принимаемых этим человеком лекарств. Важное значение фармакогеномике придается фармацевтическими компаниями, использующими подход рациональной разработки лекарств (драг-дизайн [20]) или разрабатывающими методы персонализированной медицины, которая должна в скором будущем стать общедоступной, благодаря снижению цены на секвенирование персонального генома [21], [22]. При этом фармакогеномика становится базой для создания математических моделей и компьютерного моделирования в фарминдустрии.

«Методы математического моделирования чаще всего используются для принятия решений по одобрению препаратов и инструкций к ним, особое внимание уделяется дозировкам лекарственных средств. Кроме того, при помощи этих методов эксперты FDA оценивают успешность проведенных клинических исследований препаратов и выявляют наиболее эффективные дозы лекарств для различных групп пациентов», — отмечает в своем интервью Дональд Стански, вице-президент компании Новартис, глава Департамента математического моделирования. И если сейчас разделение пациентов в клинических исследованиях на группы производится чаще всего по немногим внешним показателям — возраст, пол, вес и т.д., то уже не за горами выделение групп на основе данных фармакогеномики.

  1. Геном человека: как это было и как это будет;
  2. Monya Baker. (2013). Big biology: The ’omes puzzle. Nature. 494, 416-419;
  3. Isaac S. Kohane, Daniel R. Masys, Russ B. Altman. (2006). The Incidentalome. JAMA. 296, 212;
  4. Robert C. Green, Jonathan S. Berg, Gerard T. Berry, Leslie G. Biesecker, David P. Dimmock, et. al.. (2012). Exploring concordance and discordance for return of incidental findings from clinical sequencing. Genet Med. 14, 405-410;
  5. Как спасти Тринадцатую? (Перспективы лечения болезни Хантингтона);
  6. 454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК);
  7. William S. Oetting, Peter N. Robinson, Marc S. Greenblatt, Richard G. Cotton, Tim Beck, et. al.. (2013). Getting Ready for the Human Phenome Project: The 2012 Forum of the Human Variome Project. HUMAN MUTATION. 34, 661–666;
  8. Janusz Dutkowski, Michael Kramer, Michal A Surma, Rama Balakrishnan, J Michael Cherry, et. al.. (2013). A gene ontology inferred from molecular networks. Nat Biotechnol. 31, 38-45;
  9. Упреки в нарциссомике;
  10. Геном человека: как это было и как это будет;
  11. Erika Check Hayden. (2011). Cells may stray from ‘central dogma’. Nature;
  12. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
  13. Allen Brain Atlas: транскриптом мозга;
  14. Миллиард на протеомику;
  15. Gyorgy Marko-Varga, Gilbert S. Omenn, Young-Ki Paik, William S. Hancock. (2013). A First Step Toward Completion of a Genome-Wide Characterization of the Human Proteome. J. Proteome Res.. 12, 1-5;
  16. Sushil Sharma, Carolyn Seungyoun Moon, Azza Khogali, Ali Haidous, Anthony Chabenne, et. al.. (2013). Biomarkers in Parkinson’s disease (recent update). Neurochemistry International. 63, 201-229;
  17. Как распознать рак при помощи биомаркеров?;
  18. Cross-Disorder Group of the Psychiatric Genomics Consortium. (2013). Identification of risk loci with shared effects on five major psychiatric disorders: a genome-wide analysis. The Lancet. 381, 1371-1379;
  19. Bezprozvanny I.B. (2010). Calcium signaling and neurodegeneration. Acta Naturae. 2, 72–82;
  20. Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства;
  21. Перевалило за тысячу: третья фаза геномики человека;
  22. Секвенирование единичных клеток (версия — Metazoa).

Протеогеномика — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Протеогеномика — это область биологических исследований, в которой используется сочетание протеомики, геномики и транскриптомики, с целью обнаружения и идентификации пептидов. Протеогеномика применяется для идентификации новых пептидов путем сравнения спектров МС/МС (англ. Tandem mass spectrometry) с базой данных белков, которая была получена из геномной и транскриптомной информации. Протеогеномика часто относится к исследованиям, использующим протеомную информацию, полученную, например, методом масс-спектрометрии, для улучшения аннотаций генома (англ. DNA annotation).[1] Геномика изучает ДНК и генетический код целых организмов, в то время как транскриптомика имеет дело с последовательностями РНК и транскриптов. Протеомика использует тандемную масс-спектрометрию и жидкостную хроматографию для определения и изучения функций белков. Протеомика используется для обнаружения всех белков, экспрессируемых в организме, известных как его протеом.[2][3] Нерешённая проблема протеомики заключается в том, что она основывается на предположении, что современные модели генов верны и что правильные последовательности белка можно найти с помощью базы данных эталонных последовательностей; Однако это не всегда так, поскольку некоторые пептиды не могут быть найдены в базах данных. Кроме того, новые белковые последовательности могут возникать в результате мутаций. Данная проблема может быть решена с использованием протеомных, геномных и транскриптомных данных. Совместное использование методов протеомики и геномики привело к появлению протеогеномики, которая выделилась в самостоятельную область в 2004 году.[1][4][5]

Основная идея протеогеномного подхода заключается в идентификации пептидов путем сравнения данных МС / МС с белковыми базами данных, которые содержат предсказанные белковые последовательности. Базы данных белков создается различными способами с использованием геномных и транскриптомных данных. Ниже приведены некоторые способы создания баз данных белков:

Шестирамочные трансляции[править | править код]

Для создания базы данных, которая предсказывает белковые последовательности, могут быть использованы шесть возможных трансляций двухцепочечной молекулы ДНК. Ограничением этого метода является то, что базы данных будут очень большими из-за количества генерируемых последовательностей, большинство из которых не существуют в природе.[1]

Предсказание генов ab initio[править | править код]

В этом методе белковая основа генерируется с помощью алгоритмов предсказания генов, которые позволяют идентифицировать области, кодирующие белок. База данных, созданная таким образом, похожа на базу данных, созданную с помощью шестирамочной транскрипции, тем, что может иметь очень большой размер.[1]

Среди многообразных применений протеогеномики улучшение аннотации генов у различных организмов. Как известно, генная аннотация включает в себя обнаружение генов и их функций.[6]

Протеогеномика может предложить методы идентификации пептидов, не имея проблемы в виде неполных и неточных белковых баз данных, с которой сталкивается протеомика; однако при использовании протеогеномного подхода возникают другие трудности.[1] Одна из самых больших проблем протеогеномики — размер генерируемых баз данных белков. Статистически, большая база данных белков с большей вероятностью приведет к неправильному сопоставлению данных из базы данных белков с данными МС/МС, эта проблема может помешать идентификации новых пептидов. Большое количество ложноположительных результатов идентификации также представляет трудность при протеогеномном подходе. Ложноположительные результаты могут возникать в результате формирования очень больших баз данных белков, где несоответствующие данные приводят к неправильной идентификации. Другой проблемой является неправильное сопоставление спектров МС/МС с данными белковой последовательности, которые соответствуют аналогичному пептиду вместо фактически присутствующего. Возможно получение данных о пептиде, расположенном в нескольких сайтах, в результате чего эти данные могут быть интерпретированы различными способами. Несмотря на эти проблемы, существуют способы уменьшить количество возникающих ошибок. Например, при работе с очень большой базой данных белков можно сравнить идентифицированные новые пептидные последовательности со всеми последовательностями в базе данных, а затем сравнить посттрансляционные модификации. Затем можно определить, представляют ли две последовательности один и тот же пептид или это два разных пептида.[1]

  1. 1 2 3 4 5 6 Nesvizhskii, Alexey I. Proteogenomics: concepts, applications and computational strategies (англ.) // Nature Methods : journal. — 2014. — 1 November (vol. 11, no. 11). — P. 1114—1125. — doi:10.1038/nmeth.3144. — PMID 25357241.
  2. Sajjad, Wasim; Rafiq, Muhammad; Ali, Barkat; Hayat, Muhammad; Zada, Sahib; Sajjad, Wasim; Kumar, Tanweer. Proteogenomics: New Emerging Technology (неопр.) // HAYATI Journal of Biosciences. — 2016. — July (т. 23, № 3). — С. 97—100. — doi:10.1016/j.hjb.2016.11.002.
  3. ↑ Генетика. Энциклопедический словарь. — Минск: Белорусская наука. Картель Н. А., Макеева Е. Н., Мезенко А. М.. 2011.
  4. ↑ Gupta N., Tanner S., Jaitly N., Adkins J.N., Lipton M., Edwards R., Romine M., Osterman A., Bafna V., Smith R.D., et al. Whole proteome analysis of post-translational modifications: Applications of mass-spectrometry for proteogenomic annotation. Genome Res. 2007;17:1362-1377.
  5. Ansong, C.; Smith, R.D.; Purvine, S.O.; Lipton, M.S.; Adkins, J.N. Proteogenomics: needs and roles to be filled by proteomics in genome annotation (англ.) // Brief. Funct. Genomics Proteomics : journal. — 2008. — January (no. 7). — P. 50—62. — doi:10.1093/bfgp/eln010.
  6. Ansong, C.; Purvine, S. O.; Adkins, J. N.; Lipton, M. S.; Smith, R. D. Proteogenomics: needs and roles to be filled by proteomics in genome annotation (англ.) // Брифинги по функциональной геномике[en] : journal. — 2008. — 7 March (vol. 7, no. 1). — P. 50—62. — doi:10.1093/bfgp/eln010. — PMID 18334489.

Геномика, протеомика. Биоинформатика — КиберПедия

Геномика — направление современной молекулярной биологии, основными задачами которого являются секвенирование геномов (т. е. определение нуклеотидной последовательности суммарного набора молекул ДНК клетки какого-либо организма), их картирование (т. е. идентификация генов и локализация места их расположения на хромосоме) и сравнительный анализ структур геномов разных организмов.

Эволюционная геномика (или сравнительная геномика) – основана на сравнении организации и содержимого геномов различных живых организмов.

Функциональная геномика – опирается на подробное изучение функций генов, их влияние на активность и регуляцию других генов.

Структурная геномика — выполняет секвенирование ДНК, на основе этого создаются и сравниваются геномные карты. Не стоит путать слова «Геномика» и «Генетика». Генетика изучает механизмы изменчивости и наследственности, а геномика – применяет на практике полученные знания.

протеомика. Ее задача — определить все белки, синтезируемые в клетке, выяснить их строение, количество, локализацию, модификацию и механизмы взаимодействия.

Клиническая протеомика – нахождение количества белков и их распознавание из образца(сыворотка крови, моча, спинномозговая жидкость, биопсия) и наблюдение за изменениями их концентрации.

Протеомика гемостаза – заключается в расшифровке механизмов гомеостаза. Например, протеомика тромбоцитов – была получена новая информация о белках коагуляции, найдены неизвестные ранее мишени для новых лекарств секретогранина III, циклофилина А

Структурная протеомика – получение информации не об одном, а о множестве белков одновременно. Уже разработан цикл специальных процедур и высокоточные приборы для проведения такого анализа.

Сегодня до 96% медикаментозных средств воздействуют именно на белки. Практическая протеомика системными методами позволит ускорить процесс создания лекарственных препаратов, так необходимых многим, и создать лекарства от неизлечимых ранее болезней.

Биоинформа́тика

=математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика).

=разработка алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры белков (структурная биоинформатика).

=исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических систем =

В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии и в других областях.



5.Понятия: генотип, фенотип, признак, аплельные и неаллельные гены, гомозиготные и гетерозиготные организмы, понятие гемизиготности.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида. При оплодотворении геномы родителей объединяются и образуют клеточный генотип зиготы.

Генотип – совокупность всех генов организма (генетическая конституция). Из генотипа зиготы в процессе онтогенеза возникает много сотен различных клеточных фенотипов. Отдельные клеточные фенотипы формируют фенотип всего организма. Весь процесс жизни от образования зиготы до естественной смерти контролируется генами. Генотип постоянно испытывает воздействие внешней среды, он взаимодействует со средой, что приводит к формированию всех признаков и свойств организма. Генотип — это генетическая конституция организма, представляющая собой совокупность всех наследственных задатков его клеток, заключенных в их хромосомном наборе — кариотипе.

Фенотип – все признаки организма, формирующиеся в результате взаимодействия генотипа и среды. (Иогансен – 1803год) свойства любого организма зависят от генотипа и от среды, поэтому формирование организма – результат взаимодействия генетических факторов и факторов внешней среды.

Фенотип (Phenotype) — присущая индивидууму совокупность всех признаков и свойств, которые сформировались в процессе его индивидуального развития.

Признак — единица морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности организмов (клеток), т. е. отдельное качество или свойство, по которому они отличаются друг от друга.

Гомозиготно­-диплоидный организм или клетка, несущий идентичные аллели в гомологичных хромосомах Гомозиготность, состояние наследственного аппарата организма, при котором гомологичные хромосомы имеют одну и ту же форму данного гена.



Гетерозигото-диплоидный организм или клетка, несущий различные аллели в гомологичных хромосомах Гетерозиготность, присущее всякому гибридному организму состояние, при котором его гомологичные хромосомы несут разные формы (аллели) того или иного гена.

гемизиготы-диплоидный организм, у которого имеется только один аллель данного гена или один сегмент хромосомы вместо обычных двух Гемизиготность состояние, связанное с тем, что у организма один или несколько генов не парные, т. е. не имеют аллельных партнёров. (В сцепленном с полом наследовании, Хr или ХR — r – дальтонзим)

группы сцепления-Группа генов, локализованных на структурной единице генома и способных рекомбинировать друг с другом, обусловливая зависимое наследование

Аллельные гены — различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологических хромосом. Аллели определяют варианты развития одного и того же признака. В нормальной диплоидной клетке могут присутствовать не более двух аллелей одного локуса одновременно. В одной гамете два аллеля находиться не могут.

Неалле́льные ге́ны — это гены, расположенные в различных участках хромосом и кодирующие неодинаковые белки. Неаллельные гены также могут взаимодействовать между собой.

Геномика и протеомика | Клиника «Центр ЭКО» в Москве

Геномика и протеомика

В середине двадцатого века ученые начали активно изучать структурные и функциональные особенности человеческого генома, а именно молекулы ДНК. Это дало толчок к развитию молекулярной генетики, которая носит название геномика. После того, как ученым удалось окончательно расшифровать человеческий геном, геномика стала по-настоящему фундаментальной наукой. В настоящее время у клиницистов и генетиков есть все необходимые молекулярные и генетические инструменты, благодаря которым активно изучается геномика человека и ее влияние на течение заболеваний.

Современная генетика оперирует такими ключевыми понятиями – геном, геномика и протеомика. При этом, геном или генотип представляют собой комплекс последовательных цепей ДНК у конкретного живого организма. Геномика человека предусматривает наличие 23 пар хромосом, что представляет собой полную последовательность ДНК. Геномика является наукой, которая изучает вопросы экспрессии генетической информации в виде РНК или ДНК. Поэтому, основной вопрос, на который отвечает геномика человека – это то, какие гены экспрессированы в каждом конкретном случае. Протеомика представляет собой исследование белков, которые экспрессируются в организме или клетке. Эта наука также занимается расшифровкой взаимодействий между белками.

Первоначально геномика и протеомика изучают моногенные болезни, причиной которых является выпадение одного из генов или мутация в ней. После появления новых методов молекулярно-генетического исследования стала развиваться сравнительная геномика, которая предусматривает оценку вероятности развития определенного наследственного заболевания у разных людей. Например, сравнительная геномика позволяет оценить генетические признаки развития таких болезней, как ишемическая болезнь сердца, артериальная гипертензия и сахарный диабет. Это выясняется в зависимости от наличия определенных генов и их последовательностей. Геномика и протеомика занимаются расшифровкой белков, которые кодируются конкретными генами, а также изучением их функции.

Геномика при сердечно-сосудистых заболеваниях

Для решения проблемы высокой заболеваемости и смертности при сердечно-сосудистых заболеваниях, сегодня все больше используется геномика и протеомика. Конечно, изучая только геном, геномика не сможет решить все проблемы кардиальной патологии. Поэтому ученые активно занимаются изучением последовательности нуклеотидов в человеческом геноме. В результате им удалось выяснить, что генотип человека включает не меньше 35 тысяч локусов, которые кодируют определенные белки или регуляторные гены. В перспективе ученые планируют уточнить особенности молекулярных механизмов, благодаря которым геномика человека сможет определять риск возникновения определенной болезни. Для этого нужно будет оценивать не только изменения в отдельных генах, но и нарушения в группе генов. Традиционная геномика в основном занималась изучением тех болезней, за развитие которых отвечает один ген. В частности, речь идет о моногенных заболеваниях. При этой патологии основная причина развития болезни кроется в отсутствии или мутации конкретного гена. На сегодняшний день структурная геномика выделяет до тысячи генов, которые кодируют различную патологию.

Моногенные наследственные заболевания в основном наследуются по закону Менделя. В частности, это касается аутосомных болезней. В частности, геномика человека позволила понять механизмы, по которым одиночные гены могут приводить к различным распространенным заболеваниям сердечно-сосудистой системы. Сегодня геномика предлагает новые генетические факторы, которые участвуют в развитии кардиальной патологии. В частности, генетики выяснили, что ген имеет две копии, которые носят название аллели. Человек считается гомозиготным по определенному локусу, если его геном имеет идентичные аллели. Если эти аллели различные, то особь считается гетерозиготной. Соответственно, те специфические аллели, которые расположены в определенных локусах хромосомы и формируют геном, геномика которого представляет собой комплекс генетических факторов фенотипа. По современным представлениям, фенотип – это все признаки, которые обуславливаются генотипом. В частности, это может быть артериальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца и так далее. То есть фенотип является проявлением действия генов, как одиночных, так и всего генотипа.

Структурная геномика

Геномика представляет собой одно из основных направлений биотехнологий и биогенетики. Эта наука занимается изучением отдельных геномов и функции генов. При этом гены изучаются как по отдельности, так и в комплексе, когда оценивается воздействие нескольких генов на один фенотипический признак. Кроме того, структурная геномика участвует в определении строения, роста и развития определенных биологических функций человека. Помимо структурной, существует также и функциональная геномика, изучение которой является еще более сложной задачей. Более изученной является структурная геномика, которая предусматривает создание и сравнительную оценку различных видов карт генома. Кроме того, в задачи этого раздела биотехнологий входит масштабное секвенирование ДНК. Наиболее крупными исследованиями в области структурной и сравнительной геномики можно считать специальный проект по изучению генома человека, а также международную программу, занимающуюся изучением растительного генома. На основании этих исследований создаются новые каноны этой науки.

Протеомика

В любой клетке постоянно вырабатываются десятки тысяч белковых молекул, каждая из которых обладает своей определенной функцией. Набор этих белков человека носит название протеом. Изучением протеома занимается наука протеомика. Как и геномика, эта наука является одной из важнейших в генетике. Протеомика предусматривает изучение функциональных особенностей, локализации и строения белковых молекул. Кроме того, эта отрасль генетики занимается уточнением характера взаимодействий белков, как расположенных в клетке, так и снаружи клеточных структур. При изучении человеческого протеома наукой протеомикой было выявлено, что один ген в состоянии кодировать не одну тысячу белковых молекул. Поэтому сравнительная геномика позволяет идентифицировать в человеческом протеоме не менее миллиона белков, которые можно сравнивать между отдельными организмами. Для изучения протеома ученые используют оценку функции генов, которые проявляются фенотипическим путем синтеза или экспрессии определенных белковых молекул.

По своей сути протеомика представляет собой науку, в задачи которой входит изучение определенных биологических объектов, что отличает ее от геномики. Кроме того, важной задачей протеомики является изучение отдельных модификаций и структурно-функциональных характеристик белковых молекул. Разветвленный протеомный анализ заключается в одновременном исследовании индивидуальных характеристик белков. Эти белковые молекулы образуют совокупность, которая формируется специальную геномную систему. Благодаря этому протеомика способна охарактеризовать любой исследуемый организм в целом. Основной предмет изучения науки протеомики – это синтез, декомпозиция и модификация белковых молекул любого живого организма. После того, как учеными генетиками был расшифрован геном, геномика смогла получить практически полные данные о том, какую структуру имеют белки человека и других животных. Кроме того, протеомика занимается изучением функции и особенностей протеолитических фрагментов. Для этого их сначала получают в стандартных условиях, благодаря чему удается идентифицировать белковые молекулы и их протеолитические фрагменты.

Перспективы развития протеомики и геномики

Причины стремительного развития протеомики заключаются в том, что с её помощью врачи собираются прогнозировать развитие тех или иных наследственных заболеваний. Это позволит существенно улучшить диагностику, лечение и прогноз этой патологии. Для этого регулярно разрабатываются новые высокотехнологичные методики, благодаря которым удается оценить наличие и количество определенных белковых молекул. При этом происходит идентификация белка с уточнением его первичной структуры и посттрансляционных модификаций. На сегодняшний день большая часть исследований, проведенных в области протеомики и геномики человека, проводятся с применением методики 2-D PAGE. Эта методика предусматривает использование двухмерного геля электрофореза. Однако в последнее время все более активно используются более высокотехнологические методики, которые отличает повышенная информативность и чувствительность. В частности, речь идет о таких методах, как микросеквенирование белковых молекул, хроматография с использованием высокого давления, специальная масс-спектрометрия и так далее.

Поведенческая геномика предусматривает применение различных чипов, отличающихся по типам детекции. Благодаря этому методу удается обнаружить определенные белки и оценить их структуру. Методика использования чипов основывается на сцеплении определенных белков со специфическими для них молекулами. При этом изучается взаимодействие между белками и данными молекулами. Это взаимодействие формируется по принципу антиген-антитело, контакт ДНК с белком, фермент-субстрат или контакт между липидами и белком. Чипы считывают при помощи мощного оборудования, которое идентифицирует их при помощи временной масс-спектрометрии.

Роль протеомики для оценки характера течения основных заболеваний

Сегодня в медицинскую практику все чаще внедряются методы протеомного анализа. С их помощью врачи определяют маркеры, связанные с онкологическими и кардиоваскулярными заболеваниями. Благодаря этому клиническая протеомика позволяет выявить эту серьезную патологию на начальной стадии развития. Клиническая протеомика дает возможность идентифицировать конкретные белки, которые можно выделить в таких биологических образцах, как моча, ликвор, ткань или сыворотка крови. При помощи современных методик поведенческая геномика позволяет проводить мониторинг изменений в концентрации этих белковых молекул. За счет применения методов протеомного анализа генетики идентифицируют не менее 10 тысяч индивидуальных белков, взятых из одного образца. В дальнейшем можно фиксировать концентрацию этих белковых молекул, благодаря чему возможно проведение более точной диагностики и тщательного мониторинга патологии.

по 31 марта 2020

Осталось дней: 10

Уважаемые пациенты! Клиника «Центр ЭКО» приглашает вас на бесплатный прием репродуктолога с проведением УЗИ и составлением плана лечения.

Начните свой путь к счастью — прямо сейчас!

Другие статьи

Протокол ЭКО в естественном цикле (ЕЦ) — наиболее щадящая процедура из всех программ экстракорпорального оплодотворения.

Многих потенциальных родителей, планирующих оплодотворение in vitro, занимает вопрос: ПГД при ЭКО — что это? В чем суть этой процедуры и так ли она важна и безопасна, как утверждают врачи?

Геномика — это… Что такое Геномика?

Гено́мика — раздел молекулярной генетики, посвящённый изучению генома и генов живых организмов.

История

Геномика сформировалась как особое направление в 1980—1990-х гг. вместе с возникновением первых проектов по секвенированию геномов некоторых видов живых организмов. Первым был полностью секвенирован геном бактериофага Φ-X174; (5 368 нуклеотидов) в 1977 году. Следующим этапным событием было секвенирование генома бактерии Haemophilus influenzae (1.8 Mb) (1995). После этого были полностью секвенированы геномы ещё нескольких видов, включая геном человека (2001 год — первый черновой вариант, 2003 год — завершение проекта). Её развитие стало возможно не только благодаря совершенствованию биохимических методик, но и благодаря появлению более мощной вычислительной техники, которая позволила работать с огромными массивами данных. Протяженность геномов у живых организмов подчас измеряется миллиардами пар оснований. Например, объём генома человека составляет порядка 3 млрд пар оснований. Самый крупный из известных (на начало 2010 года) геномов принадлежит одному из видов двоякодышаших рыб (примерно 110 млрд пар).

Разделы геномики

Структурная геномика

Структурная геномика — содержание и организация геномной информации. Имеет целью изучение генов с известной структурой для понимания их функции, а также определение пространственного строения максимального числа «ключевых» белковых молекул и его влияния на взаимодействия[1][2].

Функциональная геномика

Функциональная геномика — реализация информации, записанной в геноме, от гена — к признаку.

Сравнительная геномика

Сравнительная геномика (эволюционная) — сравнительные исследования содержания и организации геномов разных организмов.

Получение полных последовательностей геномов позволило пролить свет на степень различий между геномами разных живых организмов. Ниже в таблице представлены предварительные данные о сходстве геномов разных организмов с геномом человека. Сходство дано в процентах (отражает долю пар оснований, идентичных у двух сравниваемых видов).

Вид Сходство Примечания и источники[3]
Человек 99,9 % Human Genome Project
100 % Однояйцевые близнецы
Шимпанзе 98,4 % Americans for Medical Progress; Jon Entine в San Francisco Examiner
98,7 % Richard Mural из Celera Genomics, цитируется в MSNBC
Бонобо, или карликовый шимпанзе То же, что и для шимпанзе.
Горилла 98,38 % Основано на изучении интергенной неповторяющейся ДНК (American Journal of Human Genetics, февраль 2001, 682, стр. 444—456)
Мышь 98 % Americans for Medical Progress
85 % при сравнении всех последовательностей, кодирующих белки, NHGRI
Собака 95 % Jon Entine в San Francisco Examiner
C. elegans 74 % Jon Entine в San Francisco Examiner
Банан 50 % Americans for Medical Progress
Нарцисс 35 % Steven Rose в The Guardian от 22 января 2004

Примеры применения геномики в медицине

В больнице Висконсина ребёнок в возрасте трёх лет долгое время ставил врачей в тупик, его кишечник отёк и был полностью пронизан абсцессами. К своим трем годам этот ребёнок пережил более ста отдельных хирургических операций. Для него был заказан полный сиквенс кодирующих участков его ДНК, по результатам с помощью подручных средств был выявлен виновник заболевания – белок XIAP, участвующий в сигнальных цепях запрограммированной клеточной смерти. При нормальной работе он играет очень важную роль в иммунной системы. На основе такого диагноза физиологами была рекомендована трансплантация костного мозга в июне 2010. К середине июня ребёнок уже смог впервые в своей жизни поесть.

Другой случай связан был с нетипичным раковым заболеванием у 39ти летней женщины, страдающей острой формой промиелоцитарной лейкемии. При стандартных методах диагностики, однако, заболевание не было выявлено. А вот при расшифровке и анализе генома раковых клеток выяснилось, что крупный участок 15ой хромосомы переместился на 17ю, что вызвало определённое генное взаимодействие. В результате женщина получила необходимое ей лечение.

Примечания

  1. Чугунов Антон Ловля бабочек, или чем структурная геномика поможет биологии  (рус.). Биомолекула.ру (14.03.2009). Архивировано из первоисточника 12 февраля 2012. Проверено 22 января 2010.
  2. Ясный И.Е., Цыбина Т.А., Шамшурин Д.В., Колосов П.М. Структурная геномика и медицина // Молекулярная медицина. — 2009. — № 6. — С. 15—20.
  3. Эти данные были найдены в различных вторичных источниках, и, скорее всего, они были получены разными методами (такими, как гибридизация ДНК или выравнивание последовательностей). Следует отметить, что разные методы могут давать различные результаты, даже будучи примененными к одной и той же паре сравниваемых видов, поэтому все цифры, приведённые в данной таблице, следует рассматривать как весьма приблизительные.

См. также

Ссылки

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *