17.5: גנומיקה ופרוטאומיקה

Last updated
Save as PDF

Page ID: 205911

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

מיומנויות לפיתוח

הסבר ביולוגיה של מערכות
תאר פרוטאום
הגדר חתימת חלבון

חלבונים הם התוצרים הסופיים של גנים, המסייעים בביצוע הפונקציה המקודדת על ידי הגן. חלבונים מורכבים מחומצות אמינו וממלאים תפקידים חשובים בתא. כל האנזימים (למעט ריבוזימים) הם חלבונים הפועלים כזרזים להשפיע על קצב התגובות. חלבונים הם גם מולקולות רגולטוריות, וחלקם הורמונים. חלבוני הובלה, כמו המוגלובין, מסייעים בהעברת חמצן לאיברים שונים. נוגדנים המגינים מפני חלקיקים זרים הם גם חלבונים. במצב החולה, תפקוד החלבון יכול להיפגע בגלל שינויים ברמה הגנטית או בגלל השפעה ישירה על חלבון מסוים.

פרוטאום הוא כל מערך החלבונים המיוצר על ידי סוג תא. ניתן ללמוד פרוטאומים באמצעות הידע של גנומים מכיוון שגנים מקודדים ל-mRNA, וה-mRNA מקודדים לחלבונים. למרות שניתוח mRNA הוא צעד בכיוון הנכון, לא כל ה-mRNA מתורגמים לחלבונים. חקר תפקודם של פרוטאומים נקרא פרוטאומיקה. פרוטאומיקה משלימה את הגנומיקה והיא שימושית כאשר מדענים רוצים לבדוק את ההשערות שלהם שהתבססו על גנים. למרות שלכל התאים של אורגניזם רב תאי יש אותה קבוצה של גנים, קבוצת החלבונים המיוצרים ברקמות שונות שונה ותלויה בביטוי גנים. לפיכך, הגנום קבוע, אך הפרוטום משתנה והוא דינמי בתוך אורגניזם. בנוסף, ניתן לחבר RNA לסירוגין (לחתוך ולהדביק ליצירת שילובים חדשים וחלבונים חדשים) וחלבונים רבים משתנים לאחר תרגום על ידי תהליכים כגון מחשוף פרוטאוליטי, זרחון, גליקוזילציה ואוביקוויטינציה. ישנן גם אינטראקציות חלבון-חלבון, המסבכות את חקר הפרוטומים. למרות שהגנום מספק שרטוט, הארכיטקטורה הסופית תלויה במספר גורמים שיכולים לשנות את התקדמות האירועים היוצרים את הפרוטום.

מטבולומיקה קשורה לגנומיקה ולפרוטאומיקה. מטבולומיקה כוללת מחקר של מטבוליטים של מולקולות קטנות המצויות באורגניזם. המטבולום הוא הסט השלם של מטבוליטים הקשורים למבנה הגנטי של אורגניזם. Metabolomics מציעה הזדמנות להשוות בין מבנה גנטי ומאפיינים פיזיים, כמו גם איפור גנטי וגורמים סביבתיים. מטרת מחקר המטבולומים היא לזהות, לכמת ולקטלג את כל המטבוליטים המצויים ברקמות ובנוזלים של אורגניזמים חיים.

טכניקות בסיסיות בניתוח חלבונים

המטרה הסופית של פרוטאומיקה היא לזהות או להשוות את החלבונים המובעים מגנום נתון בתנאים ספציפיים, לחקור את האינטראקציות בין החלבונים ולהשתמש במידע כדי לחזות התנהגות תאים או לפתח מטרות תרופתיות. בדיוק כפי שהגנום מנותח באמצעות הטכניקה הבסיסית של רצף DNA, פרוטאומיקה דורשת טכניקות לניתוח חלבונים. הטכניקה הבסיסית לניתוח חלבונים, המקבילה לרצף DNA, היא ספקטרומטריית מסה. ספקטרומטריית מסה משמשת לזיהוי וקביעת המאפיינים של מולקולה. ההתקדמות בספקטרומטריה אפשרה לחוקרים לנתח דגימות קטנות מאוד של חלבון. קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן, למשל, מאפשרת למדענים לקבוע את המבנה התלת מימדי של גביש חלבון ברזולוציה אטומית. טכניקת הדמיית חלבון נוספת, תהודה מגנטית גרעינית (NMR), משתמשת בתכונות המגנטיות של אטומים כדי לקבוע את המבנה התלת מימדי של חלבונים בתמיסה מימית. מיקרו מערכי חלבון שימשו גם לחקר אינטראקציות בין חלבונים. התאמות בקנה מידה גדול של המסך הדו-היברידי הבסיסי (איור\(\PageIndex{1}\)) סיפקו את הבסיס למיקרו מערכי חלבון. תוכנת מחשב משמשת לניתוח הכמות העצומה של נתונים שנוצרו לניתוח פרוטאומי.

ניתוחים בקנה מידה גנומי ופרוטאומי הם חלק מביולוגיה של מערכות. ביולוגיה של מערכות היא חקר מערכות ביולוגיות שלמות (גנומים ופרוטאומים) המבוססות על אינטראקציות בתוך המערכת. המכון האירופי לביואינפורמטיקה וארגון הפרוטאום האנושי (HUPO) מפתחים ומקימים כלים יעילים למיון הערימה העצומה של נתוני ביולוגיה של מערכות. מכיוון שחלבונים הם תוצרים ישירים של גנים ומשקפים פעילות ברמה הגנומית, טבעי להשתמש בפרוטומים כדי להשוות את פרופילי החלבון של תאים שונים כדי לזהות חלבונים וגנים המעורבים בתהליכי מחלה. רוב הניסויים בתרופות התרופות מכוונים לחלבונים. מידע המתקבל מפרוטומיקה משמש לזיהוי תרופות חדשות ולהבנת מנגנוני הפעולה שלהן.

בהקרנה דו-היברידית, תחום הקישור של גורם שעתוק מופרד מתחום ההפעלה. חלבון פיתיון מחובר לתחום מחייב ה-DNA של גורם שעתוק, וחלבון טרף מחובר לתחום המפעיל. אם הטרף תופס את הפיתיון (במילים אחרות, נקשר אליו), מתרחש שעתוק של גן כתב. אם הטרף לא תופס את הפיתיון, לא מתרחש שעתוק. מדענים משתמשים בהפעלת תעתיק זו כדי לקבוע אם התרחשה אינטראקציה בין הפיתיון לטרף. — איור\(\PageIndex{1}\): נעשה שימוש בהקרנה דו-היברידית כדי לקבוע אם שני חלבונים מקיימים אינטראקציה. בשיטה זו, גורם שעתוק מחולק לתחום מחייב DNA (BD) ותחום מפעיל (AD). תחום הקישור מסוגל לקשור את האמרגן בהיעדר תחום המפעיל, אך הוא אינו מפעיל שעתוק. חלבון הנקרא פיתיון מחובר ל- BD, וחלבון הנקרא טרף מחובר ל- AD. שעתוק מתרחש רק אם הטרף "תופס" את הפיתיון.

האתגר של טכניקות המשמשות לניתוחים פרוטאומיים הוא הקושי באיתור כמויות קטנות של חלבונים. למרות שספקטרומטריית מסה טובה לאיתור כמויות קטנות של חלבונים, שינויים בביטוי החלבון במצבים חולים יכולים להיות קשים להבחין. חלבונים הם מולקולות לא יציבות באופן טבעי, מה שהופך את הניתוח הפרוטאומי לקשה בהרבה מניתוח גנומי.

פרוטאומיקה של סרטן

גנומים ופרוטאומים של חולים הסובלים ממחלות ספציפיות נחקרים כדי להבין את הבסיס הגנטי של המחלה. המחלה הבולטת ביותר הנחקרת בגישות פרוטאומיות היא סרטן. גישות פרוטאומיות משמשות לשיפור ההקרנה וגילוי מוקדם של סרטן; זה מושג על ידי זיהוי חלבונים שהביטוי שלהם מושפע מתהליך המחלה. חלבון בודד נקרא סמן ביולוגי, ואילו קבוצה של חלבונים עם רמות ביטוי משתנות נקראת חתימת חלבון. כדי שסמן ביולוגי או חתימת חלבון יהיו שימושיים כמועמד להקרנה מוקדמת וגילוי של סרטן, יש להפריש אותו בנוזלי גוף, כגון זיעה, דם או שתן, כך שניתן לבצע הקרנות בקנה מידה גדול בצורה לא פולשנית. הבעיה הנוכחית בשימוש בסמנים ביולוגיים לגילוי מוקדם של סרטן היא השיעור הגבוה של תוצאות שליליות כוזבות. שלילי כוזב הוא תוצאת בדיקה שגויה שהייתה צריכה להיות חיובית. במילים אחרות, מקרים רבים של סרטן אינם מזוהים, מה שהופך את הסמנים הביולוגיים לבלתי אמינים. כמה דוגמאות לסמנים ביולוגיים של חלבונים המשמשים לגילוי סרטן הם CA-125 לסרטן השחלות ו- PSA לסרטן הערמונית. חתימות חלבון עשויות להיות אמינות יותר מסמנים ביולוגיים לאיתור תאים סרטניים. פרוטאומיקה משמשת גם לפיתוח תוכניות טיפול אינדיבידואליות, הכוללות חיזוי האם אדם יגיב לתרופות ספציפיות ותופעות הלוואי שהאדם עלול לחוות. פרוטאומיקה משמשת גם לחיזוי האפשרות להישנות המחלה.

המכון הלאומי לסרטן פיתח תוכניות לשיפור איתור וטיפול בסרטן. הטכנולוגיות הפרוטאומיות הקליניות לסרטן ורשת המחקר לגילוי מוקדם הן מאמצים לזהות חתימות חלבון ספציפיות לסוגים שונים של סרטן. תוכנית הפרוטומיקה הביו-רפואית נועדה לזהות חתימות חלבון ולעצב טיפולים יעילים לחולי סרטן.

סיכום

פרוטאומיקה היא חקר כל מערך החלבונים המתבטא על ידי סוג תא נתון בתנאים סביבתיים מסוימים. באורגניזם רב תאי, לסוגי תאים שונים יהיו פרוטאומים שונים, ואלה ישתנו עם שינויים בסביבה. בניגוד לגנום, פרוטאום הוא דינאמי ובשטף קבוע, מה שהופך אותו למסובך ושימושי יותר מהידע על הגנום בלבד.

גישות פרוטאומיקה מסתמכות על ניתוח חלבונים; טכניקות אלה משודרגות ללא הרף. פרוטאומיקה שימשה לחקר סוגים שונים של סרטן. סמנים ביולוגיים שונים וחתימות חלבון משמשים לניתוח כל סוג של סרטן. המטרה העתידית היא שתהיה תוכנית טיפול מותאמת אישית לכל אדם.

רשימת מילים

סמן ביולוגי: חלבון בודד המיוצר באופן ייחודי במצב חולה

שלילי כוזב: תוצאת בדיקה שגויה שהייתה צריכה להיות חיובית

מטבולום: סט שלם של מטבוליטים הקשורים למבנה הגנטי של אורגניזם

מטבולומיקה: מחקר על מטבוליטים של מולקולות קטנות שנמצאו באורגניזם

חתימת חלבון: קבוצה של חלבונים המתבטאים באופן ייחודי במצב חולה

פרוטאום: קבוצה שלמה של חלבונים המיוצרים על ידי סוג תא

פרוטאומיקה: מחקר על תפקודם של פרוטאומים

ביולוגיה של מערכות: מחקר של מערכות ביולוגיות שלמות (גנומים ופרוטאומים) המבוססות על אינטראקציות בתוך המערכת