Протеомика и протеом человека.


Технология

Любая хорошая наука начинается с хороших аналитических технологий и протеомика не является исключением. В этой быстро развивающейся области основным вызовом является понимание механизма взаимодействия около 300,000 протеинов в человеческом организме. Какова потенциальная выгода установления этих механизмов? Быстрая разработка лекарственных средств и новейших методов излечения болезней, с которыми медицина боролась веками. В настоящее время большая часть работ в протеомике выполняется с использованием 2-D PAGE (двумерного гель-электрофореза на полиакриламиде). Этот метод всегда будет играть большую роль в протеомных исследованиях. Однако, объем работ, которые необходимо выполнить, требует использования методов и приборов с большими производительностями, информативностью и чувствительностью. Большинство ученых мира, работающих в области протеомики сегодня уверены, что методы, комбинирующие высокоэффективную жидкостную хроматографию и тандемную масс-спектрометрию могут обеспечить быстрый прорыв в протеомике. Например, группа аналитиков недавно проанализировала небольшое количество образца клеток Hep-G2 (гепатоплазма человеческой печени) в течение пяти часов с использованием жидкостного хроматографа Surveyor® и масс-спектрометрического детектора с анализатором ионная ловушка LCQ DECA XP. Полученные результаты были подвергнуты сравнению по индексированной базе данных человеческих протеинов с использованием программного пакета TurboSEQUEST®. В общей сложности были идентифицированы 95 протеинов. В противоположность этому другая группа исследователей, использовавшая более традиционные методы 2-D гель-электрофореза идентифицировали 25 секреторных протеинов из такого же образца, потратив на это значительно больше времени.

Введение в протеомикуThermo Finnigan видит в этой быстро развивающейся области науки огромное поле для деятельности компании, разрабатывающей и производящей высокотехнологиченое аналитическое оборудование. Хроматография, масс-спектрометрия и программные продукты — это основные инструменты в этой области науки и компания сосредоточила лучшие свои силы в этом направлении для того, чтобы разрабатывать новые приборы и совершенствовать методы, уже широко используемые учеными.
Однако, многие до сих пор спрашивают — что такое протеомика? Просто говоря, протеомика — это изучение белков и их взаимодействия в живых организмах, в том числе в человеческом. Ученые в области протеомики исследуют «производство» протеинов (белков), их декомпозицию и замену белков внутри тела. Они также изучают как протеины модифицируются после их генерации в организме.
Часто можно прослеживать связь между изменениями протеинов и их взаимодействием и болезненными состояниями. Таким образом, протеомика может значительно ускорять разработку лекарственных средств и гораздо быстрее вложить в руки пациента новое эффективное лекарство. Сегодня более 95 процентов всех фармакологических средств на рынке нацелены на воздействие на протеины. Протеомика может помочь идентифицировать и оценить новые целевые протеины гораздо эффективнее и с систематизированным подходом, что, в свою очередь, может ускорить разработку новых диагностик и терапевтических средств.
Протеины известны около 200 лет. В начале XIX столетия химики выбрали имя «протеины» для этих веществ от греческого слова «proteios», означающего «удерживающий первое место». В русском языке эти вещества называются «белками», что вероятно связано с цветом одного из самых распространенных белков — альбумина, когда он сворачивается по действием высокой температуры. Важность протеомики можно представить себе по одному примеру ее раннего развития. В начале XX века исследователи обнаружили альтернативные формы инсулина и, таким образом, спасли и продлили миллионы жизней людей, страдающих диабетом.
Несмотря на особую важность исследования этих веществ большая часть работ в биологии во второй половине XX века была сосредоточена на исследованиях генов и ДНК (деоксирибонуклеиновой кислоты). Эти работы базировались на основополагающем открытии, сделаном James Watson, Francis Crick и Maurice Wilkins, которые получили в 1962 году Нобелевскую премию за объяснение двойной спиральной структуры ДНК.
Генные исследования и протеомика комплиментарны в том смысле, что гены, составленные из ДНК, определяют производство специфических протеинов. Однако, как писал в 1998 году исследователь Norman G. Anderson «ДНК — это, на самом деле, не нижняя точка: любой современный учебник биологии объясняет, что протеины определяют активную жизнь клетки, в то время как нуклеиновые кислоты представляют собой только план этой активности». Другими словами, биология в действительности реализуется на уровне протеинов.
Наиболее значимый и разрекламированный прорыв последних лет это картирование генома человека, в результате чего создается атлас, включающий от 30,000 до 40,000 генов, определяющих составляющие человеческого тела. По сравнению с этим вызов, стоящий перед протеомикой, значительно серьезнее. По некоторым оценкам число протеинов в человеческом теле около 300,000 или больше — в 10 раз больше, чем количество генов в человеческом теле. Эти протеины, конечно, могут взаимодействовать друг с другом и число таких взаимодействий не поддается подсчету.
В то время как определение последовательностей генома человека является основой полномасштабного исследования протеинов, необходимо помнить, что исследования протеинов были предметом инетреса ученых в течение длительного времени. Исследователи, работающее в протеомике, просто смеются над утверждениями о том, что эта область науки только сейчас появилась. На самом деле, в начале 1980 годов Anderson возглавлял специальную группу индексирования протеинов человека, которая пыталась проводить систематические исследования протеома человека и развивать аналитические методы, необходимые для этих исследований. Эти попытки натолкнулись на отсутсвие политической поддержки и финансирования, в равной степени как и ограничений со стороны технологического уровня. Сегодня, исследования протеинов оказались в центре внимания по двум причинам. Во-первых, геном расшифрован и ускорение протеомных исследований является следующим логическим шагом. Во-вторых, технология проведения протеомных исследования быстро развивается. Thermo Finnigan, мировой лидер в обеспечении этой области науки аналитическими технологиями и оборудованием, делает все возможное для разработки и обеспечения ученых приборами и методологии для выполнения высококачественных исследований.

Протеины.

Протеины служат для выполнения огромного числа функций в организме. Эти протеины включают:

  • Энзимные протеины, которые служат катализаторами таких функций как пищеварение
  • Транспортные протеины, такие как гемоглобин, который переносит кислород из легких к другим частям тела
  • Структурные протеины, такие как колаген и эластин, которые обеспечивают фиброзную основу соединительных тканей в животных
  • Хранилищные протеины, такие как казеин, который является главным источником аминокислот для организмов детенышей млекопитающихся
  • Гормональные протеины, такие как инсулин, который помогает регулировать концентрацию сахара в крови
  • Рецепторные протеины, которые встраиваются в мембраны нервных клеток и детектируют химические сигналы передаваемые другими нервными клетками
  • Сократимые протеины, такие как миозин, который играет большую роль в жвижении мышц
  • Защитные протеины, которые защищают организм от болезней

Протеины производятся или «выражаются» рибонуклеиновой кислотой (RNA или РНК), которая определяется ДНК в генах. Каждый протеин — это цепочка аминокислот. В человеческом теле используются только 20 аминокислот для производства протеинов, но эти аминокислоты выстраиваются в цепочки бесчисленным количеством способов. Порядок или последовательность. аминокислот играет огромную роль а определении функции конкретного белка в организме. Другим определяющим фактором является структура протеина.
Порядок, в котором выстраиваются аминокислоты, диктуется определенными фрагментами ДНК, называемыми нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит сахарную группу, фосфатную группу и одно из четырех соединений, называемых базовыми. Эти четыре базы — аденин, тимин, цитозин и гуанин. Прядь спирали ДНК в действительности состоит из цепочки нуклеотидов. Три нуклеотида в ряд образуют кодон и порядок базовых веществ в кодоне диктует какая из 20 аминокислот будет производиться. Например, если три базовых вещества стоят в следющем порядке — тимин, цитозин, аденин — будет производиться серин. Однако, если базы стоят в следующем порядке — аденин, цитозин, тимин — будет производиться треонин. Таким образом цепочка ДНК производит многочисленные аминокислоты, которые, затем, связываются друг с другом для формирования протеинов. Проблемы с протеинамиПрактически все болезни могут быть прослежены до изменений, происходящих на протеиновом уровне. Например:

  • Генетические мутации на уровне ДНК могут вызвать неправильное производство протеинов. К примеру, это происходит при серповидной клеточной анемии. Протеин гемоглобин вызывает превращение красных кровяных телец в ненормальную серповидную форму поскольку одно из базовых веществ в кодоне неправильно заменено другим. Формирование одной неправильной аминокислоты вызывает ненормальность в гемоглобине, клетки которого принимают серповидную форму.
  • Часто протеины требуют модификации после трансляции (т.е. после создания по плану ДНК) для того, чтобы способствовать выполнению ими определенных функций в организме. Например, протеины, которые вызывают образование кровяных тромбов остаются неактивными до тех пор, пока не претерпевают соотвествующих изменений. Следовательно, неправильная послетрансляционная модификация является второй причиной неправильного функционирования протеинов.
  • Еще одна причина проблем с протеинами — это полиморфизм. Это небольшие вариации ДНК, которые делают индивидуальных живых особей отличными друг от друга. Этот же полиморфизм также делает некторые особи более склонными к определенным болезням и эта склонность неизбежно прослеживается до ненормальности генерации и взаимодействия протеинов.Протеомика открывает прекрасную возможность систематического изучения процессов генерации и взаимодействия протеинов. Thermo Finnigan служит этому важнейшему разделу науки, обеспечивая исследователей оборудованием высочайшего качества, высокотехнологичными аналитическими системами и программным обеспечением.

 

Компоненты протеомных аналитических систем

  • Surveyor LC System — Первая хроматографическая система специально оптимизированная для LC/MSn применений. Короткий цикл анализа образцов, высокая производительность и великолепный характеристики при малых скоростях потоков создают специальные условия для напряженной работы лаборатории, через которую проходит огромное количество образцов. Система высокоэффективной жидкостной хроматографии Surveyor LC, соединенная с мощнейшим программным обеспечением Xcalibur для ВЭЖХ/ MСn, создает ядро всех подобных систем. Система ВЭЖХ Surveyor LC включает в себя модуль подготовки растворителей — Solvent Platform , насос Surveyor MS Pump со встроенным дегазатором, автодозатор Surveyor Autosampler и детектор фото-диодная матрица Surveyor PDA. Модульная система вертикального построения занимает всего 14 дюймов (35.56 cm) пространства стола
  • Finnigan LTQ FT — самый мощный прибор для идентификации пептидов и белков
    Finnigan LTQ FT это гибридный масс-спектрометр, соединяющий в себе возможности выделения ионов и многомерного масс-спектрометрического анализа в линейной квадрупольной ионной ловушке с высочайшим разрешением и точностью определения массы на масс-спектрометре ионно-циклотронного резонанса. Это единственный прибор, позволяющий проводить анализ целых белков (так называемая, Top-down протеомика). Измерение точных масс позволяет однозначно определять массы фрагментов пептидов, а высокое разрешение делает возможным определять состояние заряда полипротонированных ионов.
    Не существует в мире более мощного прибора для решения задач протеомики, метаболомики и липидомики чем LTQ FT
  • Finnigan LTQ ORBITRAP — новые возможности масс-спектрометрии в протеомике и анализе малых молекул
    FinniganFinnigan LTQ ORBITRAP — новейшая разработка Thermo Electron — также гибридный прибор, использующий возможности линейной квадрупольной ионной ловушки. Вторая часть этого прибора — революционно новый масс-анализатор орбитальная ловушка ионов способен работать в режиме высокого разрешения и определять точные массы ионов, лишь незначительно уступая ионно-циклотронному резонансу. При этом в орбитальной ловушке ионов не используются ни магнитные поля, как в ионно-циклотронном резонансе, ни радиочастоты, как в тороидальных или линейных квадрупольных ионных ловушках.
    Этот уникальный прибор обеспечивает идентификацию молекул пептидов и белков небольшого размера, а также позволяет проводить количественные анализы очень сложных образцов в очень сложных матрицах как в исследовательских работах, так и при рутинном анализе пептидов, белков, гормонов, допинговых средств, лекарственных препаратов.
  • Finnigan LTQ и Finnigan LXQ — мощь многомерного масс-спектрометрического анализа и невиданная чувствительность
    Новая технология линейных квадрупольных ионных ловушек Finnigan LTQ и LXQ обеспечивает высочайшую чувствительность наряду с широкими возможностями многомерного анализа (МС10) с подтверждением молекулярной массы и структурные анализы методом ВЭЖХ/MС/MС. Селективность MС/MС обеспечивает однозначную идентификацию соединений и дает возможность получать превосходные количественные результаты для сложных матриц. ВЭЖХ/МС/МС системы с линейными квадрупольными ионными ловушками позволяют получать уникальные результаты как при быстром скрининге белков и пептидов, так и при их детальном исследовании.
  • Finnigan LCQ ADVANTAGE — Быстрая идентификация компонентов
    Thermo Finnigan LCQ ADVANTAGE это компактный, настольный масс-спектрометр с анализатором ионная ловушка, способный выполнять анализы с подтверждением молекулярной массы и структурные анализы методом ВЭЖХ/MС/MС. Селективность MС/MС обеспечивает однозначную идентификацию соединений сравнением со спектральной библиотекой и дает возможность получать превосходные количественные результаты для сложных матриц. Система, включающая LCQ ADVANTAGE, обеспечивает мощнейший инструмент для решения задач, возникающих при разработке лекарственных средств и рутинном протеомном анализе.
  • Finnigan LCQ DECA XP — Полное определение структуры
    LCQ DECA XP — это высокочувствительный масс-спектрометр с анализатором ионная ловушка, самый высокочувствительный и специфичный прибор среди всех систем ВЭЖХ/ MСn. LCQ DECA XPможет выполнять самые сложнейшие анализы с использованием изощренных функций, таких как Dynamic Exclusion™, WideBand Activation™, и Normalized Collision Energy™ для получения максимальной информации от одной единственной разгонки. Эти методы анализа комбинируются с мощностью многомерной масс-спектрометрии MSn для достижения максимально достижимого уровня определения структуры. Thermo Finnigan LCQ DECA XP — идеальный MSn масс-спектрометр для изучения метаболизма, анализа чистоты образцов, идентификации протеинов и других сложнейших применений.
  • TurboSEQUEST™ — новый пакет программного обеспечения для автоматической идентификации протеинов. Обеспечивает быструю и точнейшую идентификацию даже при низких концентрациях белков в сложных смесях.