17.5 Erfðamengjafræði og prótínmengjafræði
Hæfniviðmið
Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:
- Útskýrt kerfislíffræði
- Lýst prótínmengi
- Skilgreint prótínsnið
Prótín eru lokaafurðir gena og hjálpa til við að sinna því hlutverki sem genið skráir fyrir. Amínósýrur mynda prótín og gegna mikilvægum hlutverkum í frumunni. Öll ensím, nema ríbósím, eru prótín sem verka sem hvatar og hafa áhrif á hraða efnahvarfa. Prótín eru einnig stjórnsameindir og sum eru hormón. Flutningsprótín, svo sem blóðrauði, hjálpa til við að flytja súrefni til ýmissa líffæra. Mótefni sem verjast aðskotaögnum eru einnig prótín. Í sjúkdómsástandi getur virkni prótína skerst vegna breytinga á erfðafræðilegu stigi eða vegna beinna áhrifa á tiltekið prótín.
Prótínmengi er heildarsafn prótína sem tiltekin frumugerð framleiðir. Við getum rannsakað prótínmengi með þekkingu á erfðamengjum, því gen skrá fyrir mRNA og mRNA skrá fyrir prótín. Þótt mRNA-greining sé skref í rétta átt eru ekki öll mRNA þýdd yfir í prótín. Prótínmengjafræði er rannsókn á virkni prótínmengja. Prótínmengjafræði bætir erfðamengjafræði upp og er gagnleg þegar vísindamenn vilja prófa tilgátur sem byggjast á genum. Þótt allar frumur fjölfruma lífveru hafi sama genasafn er prótínasafnið sem mismunandi vefir framleiða ólíkt og háð tjáningu gena. Erfðamengið er því stöðugt, en prótínmengið er breytilegt og kvikt innan lífveru. Auk þess geta RNA-sameindir verið valkvætt splæstar, það er klipptar og límdar saman til að búa til nýjar samsetningar og ný prótín, og mörg prótín breytast eftir þýðingu með ferlum á borð við prótínsundrun, fosfórun, glýkósýleringu og úbíkítínmerkingu. Prótín-prótín-víxlverkanir eru einnig til staðar og þær flækja rannsóknir á prótínmengjum. Þótt erfðamengið veiti teikninguna ræðst endanleg gerð af nokkrum þáttum sem geta breytt framvindu þeirra atburða sem mynda prótínmengið.
Efnaskiptamengjafræði tengist erfðamengjafræði og prótínmengjafræði. Efnaskiptamengjafræði felur í sér rannsóknir á litlum efnaskiptasameindum í lífveru. Efnaskiptamengið er heildarsafn efnaskiptasameinda sem tengjast erfðasamsetningu lífveru. Efnaskiptamengjafræði gefur tækifæri til að bera saman erfðasamsetningu og líkamlega eiginleika, sem og erfðasamsetningu og umhverfisþætti. Markmið rannsókna á efnaskiptamengjum er að bera kennsl á, magnmæla og skrásetja allar efnaskiptasameindir í vefjum og vökvum lifandi lífvera.
Grunntækni í prótíngreiningu
Lokamarkmið prótínmengjafræði er að bera kennsl á eða bera saman prótín sem eru tjáð úr tilteknu erfðamengi við sérstakar aðstæður, rannsaka víxlverkanir milli prótínanna og nota upplýsingarnar til að spá fyrir um hegðun frumna eða þróa lyfjamörk. Rétt eins og vísindamenn greina erfðamengið með grunn-DNA-raðgreiningartækni krefst prótínmengjafræði tækni til prótíngreiningar. Grunntæknin í prótíngreiningu, hliðstæð DNA-raðgreiningu, er massagreining. Massagreining ber kennsl á sameind og ákvarðar eiginleika hennar. Framfarir í massagreiningu hafa gert rannsakendum kleift að greina mjög lítil prótínsýni. Röntgenkristallafræði gerir til dæmis vísindamönnum kleift að ákvarða þrívíddarbyggingu prótínkristals með atómupplausn. Önnur myndgreiningartækni fyrir prótín, kjarnasegulómun (NMR), notar seguleiginleika atóma til að ákvarða þrívíddarbyggingu prótíns í vatnslausn. Vísindamenn hafa einnig notað prótínörflögur til að rannsaka prótínvíxlverkanir. Stórtækar útfærslur á grunn-tveggja-blendinga skimun (Mynd 17.17) hafa lagt grunn að prótínörflögum. Vísindamenn nota tölvuhugbúnað til að greina hið gríðarlega gagnamagn sem verður til við prótínmengjagreiningu.
Greiningar á erfðamengja- og prótínmengjakvarða eru hluti af kerfislíffræði, sem er rannsókn á heilum líffræðilegum kerfum, svo sem erfðamengjum og prótínmengjum, út frá víxlverkunum innan kerfisins. Evrópska lífupplýsingastofnunin og Alþjóðasamtök um prótínmengi mannsins (HUPO) eru að þróa og koma á fót öflugum verkfærum til að flokka hið gríðarlega gagnamagn kerfislíffræðinnar. Þar sem prótín eru beinar afurðir gena og endurspegla virkni á erfðamengisstigi er eðlilegt að nota prótínmengi til að bera saman prótínsnið mismunandi frumna og bera kennsl á prótín og gen sem koma við sögu í sjúkdómsferlum. Flestar lyfjarannsóknir beinast að prótínum. Rannsakendur nota upplýsingar úr prótínmengjafræði til að finna ný lyf og skilja verkunarhátt þeirra.
Vísindamenn standa frammi fyrir áskorunum við prótínmengjagreiningu vegna þess að erfitt er að greina lítið magn prótína. Þótt massagreining henti vel til að greina lítið prótínmagn getur verið erfitt að greina breytileika í prótíntjáningu í sjúkdómsástandi. Prótín eru í eðli sínu óstöðugar sameindir, sem gerir prótínmengjagreiningu mun erfiðari en erfðamengjagreiningu.
Prótínmengjafræði krabbameins
Rannsakendur rannsaka erfðamengi og prótínmengi sjúklinga til að skilja erfðafræðilegan grunn sjúkdóma. Sá sjúkdómur sem mest er rannsakaður með prótínmengjafræðilegum nálgunum er krabbamein. Þessar nálganir bæta skimun og snemmgreiningu krabbameins. Rannsakendur geta borið kennsl á prótín sem hafa tjáningu sem gefur til kynna sjúkdómsferlið. Einstakt prótín er lífmerki, en safn prótína með breytt tjáningarstig er prótínsnið. Til að lífmerki eða prótínsnið nýtist sem mögulegur kostur við snemmbæra krabbameinsskimun og greiningu þarf það að seytast í líkamsvökva, svo sem svita, blóð eða þvag, þannig að heilbrigðisstarfsfólk geti framkvæmt víðtæka skimun án inngrips. Núverandi vandamál við notkun lífmerkja til snemmgreiningar krabbameins er há tíðni falskt neikvæðra niðurstaðna. Falskt neikvæð niðurstaða er röng prófniðurstaða sem hefði átt að vera jákvæð. Með öðrum orðum greinast mörg krabbameinstilfelli ekki og það gerir lífmerki óáreiðanleg. Dæmi um prótínlífmerki í krabbameinsgreiningu eru CA-125 fyrir eggjastokkakrabbamein og PSA fyrir blöðruhálskirtilskrabbamein. Prótínsnið geta verið áreiðanlegri en lífmerki til að greina krabbameinsfrumur. Rannsakendur nota einnig prótínmengjafræði til að þróa einstaklingsmiðaðar meðferðaráætlanir, sem felur í sér að spá fyrir um hvort einstaklingur muni svara tilteknum lyfjum og hvaða aukaverkanir hann gæti fundið fyrir. Rannsakendur nota einnig prótínmengjafræði til að spá fyrir um líkur á endurkomu sjúkdóms.
Bandaríska krabbameinsstofnunin (National Cancer Institute) hefur þróað áætlanir til að bæta greiningu og meðferð krabbameins. Klínísk prótínmengjatækni fyrir krabbamein (Clinical Proteomic Technologies for Cancer) og Rannsóknarnet um snemmgreiningu (Early Detection Research Network) eru átaksverkefni til að bera kennsl á prótínsnið sem eru sértæk fyrir mismunandi krabbameinsgerðir. Líflæknisfræðilega prótínmengjaáætlunin (Biomedical Proteomics Program) ber kennsl á prótínsnið og hannar árangursríkar meðferðir fyrir krabbameinssjúklinga.