Skip to main content
Global

17.5: علم الجينوم والبروتيوميات

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196506

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • شرح بيولوجيا الأنظمة
    • وصف بروتيوم
    • تعريف توقيع البروتين

    البروتينات هي المنتجات النهائية للجينات، والتي تساعد في أداء الوظيفة المشفرة بواسطة الجين. تتكون البروتينات من الأحماض الأمينية وتلعب أدوارًا مهمة في الخلية. جميع الإنزيمات (باستثناء الريبوزيمات) هي بروتينات تعمل كمحفزات للتأثير على معدل التفاعلات. البروتينات هي أيضًا جزيئات تنظيمية، وبعضها هرمونات. تساعد بروتينات النقل، مثل الهيموجلوبين، على نقل الأكسجين إلى الأعضاء المختلفة. الأجسام المضادة التي تدافع ضد الجسيمات الأجنبية هي أيضًا بروتينات. في الحالة المرضية، يمكن أن تتأثر وظيفة البروتين بسبب التغيرات على المستوى الجيني أو بسبب التأثير المباشر على بروتين معين.

    البروتيوم هو مجموعة كاملة من البروتينات التي ينتجها نوع الخلية. يمكن دراسة البروتينات باستخدام معرفة الجينوم لأن الجينات ترمز إلى mRNAs، بينما تقوم mRNAs بترميز البروتينات. على الرغم من أن تحليل mRNA هو خطوة في الاتجاه الصحيح، إلا أنه لا تتم ترجمة جميع mRNAs إلى بروتينات. تسمى دراسة وظيفة البروتيومات بالبروتيوميات. تكمل البروتيوميات علم الجينوم وهي مفيدة عندما يريد العلماء اختبار فرضياتهم التي تستند إلى الجينات. على الرغم من أن جميع خلايا الكائن الحي متعدد الخلايا لها نفس مجموعة الجينات، إلا أن مجموعة البروتينات المنتجة في الأنسجة المختلفة مختلفة وتعتمد على التعبير الجيني. وبالتالي، فإن الجينوم ثابت، لكن البروتين يختلف وهو ديناميكي داخل الكائن الحي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تقسيم RNAs بالتناوب (قصها ولصقها لإنشاء مجموعات جديدة وبروتينات جديدة) ويتم تعديل العديد من البروتينات بعد الترجمة من خلال عمليات مثل الانقسام البروتيني، والفسفرة، والغليكوزيل، والتعقيم في كل مكان. هناك أيضًا تفاعلات بين البروتين والبروتين، مما يعقد دراسة البروتينات. على الرغم من أن الجينوم يوفر مخططًا، إلا أن البنية النهائية تعتمد على عدة عوامل يمكن أن تغير تطور الأحداث التي تولد البروتين.

    يرتبط علم الأيض بالجينوم والبروتيوميات. يتضمن علم الأيض دراسة مستقلبات الجزيئات الصغيرة الموجودة في الكائن الحي. الأيض هو مجموعة كاملة من الأيضات المرتبطة بالتركيب الجيني للكائن الحي. يوفر علم الأيض فرصة لمقارنة التركيب الجيني والخصائص الفيزيائية، وكذلك التركيب الجيني والعوامل البيئية. الهدف من أبحاث الأيض هو تحديد وقياس وفهرسة جميع الأيضات الموجودة في أنسجة وسوائل الكائنات الحية.

    التقنيات الأساسية في تحليل البروتين

    الهدف النهائي للبروتيوميات هو تحديد أو مقارنة البروتينات المعبر عنها من جينوم معين في ظل ظروف محددة، ودراسة التفاعلات بين البروتينات، واستخدام المعلومات للتنبؤ بسلوك الخلية أو تطوير أهداف دوائية. مثلما يتم تحليل الجينوم باستخدام التقنية الأساسية لتسلسل الحمض النووي، تتطلب البروتيوميات تقنيات لتحليل البروتين. الأسلوب الأساسي لتحليل البروتين، المماثل لتسلسل الحمض النووي، هو قياس الطيف الكتلي. يُستخدم قياس الطيف الكتلي لتحديد خصائص الجزيء وتحديدها. سمح التقدم في قياس الطيف للباحثين بتحليل عينات صغيرة جدًا من البروتين. يمكّن علم البلورات بالأشعة السينية، على سبيل المثال، العلماء من تحديد البنية ثلاثية الأبعاد لبلورة البروتين بدقة ذرية. تستخدم تقنية أخرى لتصوير البروتين، وهي الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، الخصائص المغناطيسية للذرات لتحديد البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات في المحلول المائي. كما تم استخدام مصفوفات البروتين الدقيقة لدراسة التفاعلات بين البروتينات. قدمت التعديلات واسعة النطاق للشاشة الأساسية ثنائية الهجين (الشكل\(\PageIndex{1}\)) الأساس للمصفوفات الدقيقة للبروتين. يتم استخدام برامج الكمبيوتر لتحليل كمية هائلة من البيانات التي تم إنشاؤها للتحليل البروتيني.

    تعد التحليلات الجينومية والبروتينية جزءًا من بيولوجيا الأنظمة. بيولوجيا الأنظمة هي دراسة النظم البيولوجية الكاملة (الجينومات والبروتينات) على أساس التفاعلات داخل النظام. يقوم المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية ومنظمة البروتينات البشرية (HUPO) بتطوير وإنشاء أدوات فعالة لفرز الكومة الهائلة من بيانات بيولوجيا الأنظمة. نظرًا لأن البروتينات هي المنتجات المباشرة للجينات وتعكس النشاط على المستوى الجيني، فمن الطبيعي استخدام البروتينات لمقارنة ملفات البروتين للخلايا المختلفة لتحديد البروتينات والجينات المشاركة في عمليات المرض. تستهدف معظم تجارب الأدوية الصيدلانية البروتينات. يتم استخدام المعلومات التي تم الحصول عليها من البروتيوميات لتحديد الأدوية الجديدة وفهم آليات عملها.

    في الفحص ثنائي الهجين، يتم فصل مجال الربط لعامل النسخ عن مجال المنشط. يتم ربط بروتين الطعم بمجال ربط الحمض النووي لعامل النسخ، ويتم ربط بروتين الفريسة بمجال المنشط. إذا التقطت الفريسة الطعم (بمعنى آخر، ارتبطت به)، يحدث نسخ لجين المراسل. إذا لم تلتقط الفريسة الطعم، فلن يحدث أي نسخ. يستخدم العلماء هذا التنشيط النسخي لتحديد ما إذا كان التفاعل بين الطعم والفريسة قد حدث.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يتم استخدام الفحص ثنائي الهجين لتحديد ما إذا كان هناك نوعان من البروتينات يتفاعلان. في هذه الطريقة، يتم تقسيم عامل النسخ إلى مجال ربط الحمض النووي (BD) ومجال المنشط (AD). مجال الربط قادر على ربط المروج في حالة عدم وجود مجال المنشط، ولكنه لا يقوم بتشغيل النسخ. يتم ربط بروتين يسمى الطُعم بـ BD، ويتم ربط بروتين يسمى الفريسة بـ AD. يحدث النسخ فقط إذا «أمسكت» الفريسة بالطعم.

    يتمثل التحدي المتمثل في التقنيات المستخدمة في التحليلات البروتينية في صعوبة اكتشاف كميات صغيرة من البروتينات. على الرغم من أن قياس الطيف الكتلي مفيد للكشف عن كميات صغيرة من البروتينات، إلا أنه قد يكون من الصعب تمييز الاختلافات في التعبير البروتيني في الحالات المريضة. البروتينات هي جزيئات غير مستقرة بشكل طبيعي، مما يجعل التحليل البروتيني أكثر صعوبة من التحليل الجيني.

    بروتيوميات السرطان

    تتم دراسة جينومات وبروتينات المرضى الذين يعانون من أمراض معينة لفهم الأساس الجيني للمرض. المرض الأبرز الذي تتم دراسته باستخدام الأساليب البروتينية هو السرطان. يتم استخدام الأساليب البروتينية لتحسين الفحص والكشف المبكر عن السرطان؛ يتم تحقيق ذلك من خلال تحديد البروتينات التي يتأثر تعبيرها بعملية المرض. يُطلق على البروتين الفردي اسم العلامة الحيوية، في حين أن مجموعة البروتينات ذات مستويات التعبير المتغيرة تسمى توقيع البروتين. لكي يكون المؤشر الحيوي أو توقيع البروتين مفيدًا كمرشح للفحص المبكر والكشف عن السرطان، يجب إفرازه في سوائل الجسم، مثل العرق أو الدم أو البول، بحيث يمكن إجراء الفحوصات واسعة النطاق بطريقة غير جراحية. المشكلة الحالية في استخدام المؤشرات الحيوية للكشف المبكر عن السرطان هي ارتفاع معدل النتائج السلبية الكاذبة. النتيجة السلبية الكاذبة هي نتيجة اختبار غير صحيحة كان يجب أن تكون إيجابية. بعبارة أخرى، لا يتم اكتشاف العديد من حالات السرطان، مما يجعل المؤشرات الحيوية غير موثوقة. بعض الأمثلة على المؤشرات الحيوية البروتينية المستخدمة في الكشف عن السرطان هي CA-125 لسرطان المبيض و PSA لسرطان البروستاتا. قد تكون بصمات البروتين أكثر موثوقية من المؤشرات الحيوية للكشف عن الخلايا السرطانية. تُستخدم البروتيوميات أيضًا لتطوير خطط العلاج الفردية، والتي تتضمن التنبؤ بما إذا كان الفرد سيستجيب لأدوية معينة أم لا والآثار الجانبية التي قد يتعرض لها الفرد. يتم استخدام البروتيوميات أيضًا للتنبؤ بإمكانية تكرار المرض.

    قام المعهد الوطني للسرطان بتطوير برامج لتحسين اكتشاف وعلاج السرطان. تعد التقنيات البروتينية السريرية للسرطان وشبكة أبحاث الكشف المبكر جهودًا لتحديد بصمات البروتين الخاصة بأنواع مختلفة من السرطانات. تم تصميم برنامج البروتينات الطبية الحيوية لتحديد بصمات البروتين وتصميم علاجات فعالة لمرضى السرطان.

    ملخص

    علم البروتينات هو دراسة المجموعة الكاملة من البروتينات التي يعبر عنها نوع معين من الخلايا في ظل ظروف بيئية معينة. في الكائن الحي متعدد الخلايا، ستحتوي أنواع الخلايا المختلفة على بروتينات مختلفة، وستختلف هذه البروتينات مع التغيرات في البيئة. على عكس الجينوم، يكون البروتين ديناميكيًا وفي حالة تدفق مستمر، مما يجعله أكثر تعقيدًا وأكثر فائدة من معرفة الجينوم وحده.

    تعتمد مناهج البروتيوميات على تحليل البروتين؛ يتم تحديث هذه التقنيات باستمرار. تم استخدام البروتيوميات لدراسة أنواع مختلفة من السرطان. يتم استخدام مؤشرات حيوية مختلفة وتوقيعات بروتينية لتحليل كل نوع من أنواع السرطان. الهدف المستقبلي هو الحصول على خطة علاج مخصصة لكل فرد.

    مسرد المصطلحات

    المؤشرات الحيوية
    بروتين فردي يتم إنتاجه بشكل فريد في حالة مرضية
    سلبي كاذب
    نتيجة اختبار غير صحيحة كان يجب أن تكون إيجابية
    الأيض
    مجموعة كاملة من الأيضات المرتبطة بالتركيب الجيني للكائن الحي
    الأيض
    دراسة مستقلبات الجزيئات الصغيرة الموجودة في الكائن الحي
    توقيع البروتين
    مجموعة من البروتينات المعبر عنها بشكل فريد في الحالة المرضية
    بروتيوم
    مجموعة كاملة من البروتينات التي ينتجها نوع الخلية
    علم البروتيوميات
    دراسة وظيفة البروتينات
    بيولوجيا الأنظمة
    دراسة النظم البيولوجية الكاملة (الجينومات والبروتينات) على أساس التفاعلات داخل النظام