А.А. Замятніним, доктор біологічних наук, Інститутбіохімії ім. А.Н.Баха РАН
Нашрозповідь буде присвячений одній з наймолодших фундаментальних наук (якщо ненаймолодшою), яка народилася всього лише кілька років тому разом з тими, хтоще зараз навчається в початковій школі. На відміну від багатьох інших наук пропротеоміці можна точно сказати, за яких обставин вона виникла, вказатирік, коли з'явилося її назву і хто його придумав.
Почнемоз обставин. У другій половині XX в. бурхливо розвивалися аналітичніметоди біохімії, молекулярної біології та обчислювальної техніки. Видатніуспіхи, досягнуті в цих областях, призвели до можливості розшифровки величезнихпослідовностей основ нуклеїнових кислот і до запису повного геномаживого організму. Вперше повний геном був розшифрований в 1980 р. [1] у бактеріофага phi Х-174 (близько 5.103 підстав), потім у першої бактерії - Haemophilusinfluenzae (1, 8.106 підстав) [2]. А c завершенням XX в. була закінченаграндіозна робота по розшифровці повного генома людини - виявленнюпослідовності приблизно 3 млрд основ нуклеїнових кислот [3]. На цюроботу було витрачено кілька мільярдів доларів (приблизно по одному доларуна одну підставу). Всього ж вже розшифровані геноми кількох десятків видівживих організмів. Саме в цей період виникли дві нові біологічні науки:в 1987 р. вперше в науковій пресі було використано слово В«геномікаВ» [4], а в 1993 р. - В«біоінформатикаВ» [5].
Укожного біологічного виду частина генома представлена ​​ділянками, кодирующимиамінокислотні послідовності білків. Наприклад, таких ділянок у людининалічується близько 100 000 (за деякими оцінками, це число може досягати300 000, а з урахуванням хімічно модифікованих структур - декількохмільйонів). Здавалося б, знаючи повний геном і генетичний код, можна шляхомтрансляції отримати всі відомості про структуру білків. Проте все не так просто.Поступово ставало очевидним, що в даній розглянутій клітинноїсистемі організму немає кореляції між наборами мРНК і білків. Крім того, багатобілки, синтезовані на рибосомах відповідно до нуклеотидноїпослідовністю, після синтезу піддаються хімічним модифікаціям і можутьіснувати в організмі в модифікованій та немодифікованої формах. І щеважливо те, що білки володіють різноманітними просторовими структурами,які на сьогоднішній день не можна визначити по лінійним послідовностямнуклеотидів і навіть амінокислот. Тому пряме виділення і визначення структурусіх функціонуючих білків залишається як і раніше актуальним завданням (прямевизначення структури на сьогоднішній день здійснено приблизно лише для 10%білків людини). Так, на додаток до геноміки з'явився термін В«протеомікаВ», об'єктомдослідження якої є протеом (від англ. PROTEins - білки і genOMe -геном). А в науковій пресі згадка про протеома вперше з'явилося в 1995 р. [6].
Сліддодати, що велику роль у життєдіяльності організмів відіграють численнікороткі фрагменти білкових попередників, які називаються олігопептиди,або просто пептидами. Саме через них спостерігається такий різнобій в оцінцікількості білково-пептидних компонентів у представників одного біологічноговиду. Тому поряд з термінами В«протеомВ» і В«протеомікаВ» в даний час вжевживаються такі терміни, як В«пептидомВ» і В«пептідомікаВ», що представляютьсобою частину протеома та протеоміки. Про різноманіття структури і функцій білків іпептидів на сторінках газети В«БіологіяВ» нами було розказано раніше [7].
Отже,сформулюємо визначення нових наук, які з'явилися за життя нинішньогомолодого покоління та які тісно взаємопов'язані один з одним (рис. 1).
Рис.1. Схема, що ілюструє повну взаємозв'язок трьох нових біологічних наук
Геноміка- Наука, що займається вивченням структури і функцій генів (геном - сукупністьвсіх генів організму).
Біоінформатика- Наука, що займається вивченням біологічної інформації за допомогоюматематичних, статистичних і комп'ютерних методів.
Протеоміка- Наука, що займається вивченням сукупності білків і їх взаємодій в живихорганізмах (протеом - сукупність всіх білків організму).
Відзначимотакож, що протеоміка в загальних рисах включає в себе структурну протеоміка, функціональнупротеоміки та прикладну протеоміки, які ми розглянемо окремо.
Структурна протеоміка
Найбільшяскравою особливістю біології є різноманітність. Воно проглядається на всіхрівнях біологічної організації (біологічні види, морфологія, хімічнаструктура молекул, мережа регуляторних процесів і т.д.). У повній мірі цевідноситься і до білків. Масштаб їх структурного розмаїття досі до кінцяне виявлено. Досить сказати, що кількість амінокислотних залишків в одному білкуможе становити від двох (мінімальна структура, має пептидних зв'язок) додесятків тисяч, а білок Титиний людини містить 34 350 амінокислотних залишківі на сьогоднішній день є рекордсменом - найбільшої з усіх відомихбілкових молекул.
Щоботримати відомості про протеома, необхідно спочатку його виділити і очистити відінших молекул. Оскільки число білків у всьому протеома (тобто у всьомуорганізмі) вельми велике, зазвичай беруть тільки частину організму (його орган аботканина) і різними методами виділяють білкову компоненту. За майже 200-річнуісторію вивчення білків розроблено безліч методів виділення білків - відпростого сольового осадження до сучасних складних методів, що враховуютьрізні фізичні і хімічні властивості цих речовин. Після отримання чистоїфракції індивідуального білка визначається його хімічна структура.
Вструктурної протеоміці проводиться визначення структури не одного, а відразубезлічі білків, і до теперішнього часу для цього розроблений спеціальний циклпроцедур і створений арсенал відповідних високоточних приладів. (Повний набіробладнання для протеомних досліджень коштує більше одного мільйона доларів.)
Рис.2. Інструменти протеоміки
Нарис. 2 наведена схема лабораторного циклу від приготування зразка довизначення його структури. Після виділення і очищення (на малюнку представленийвже виділений і очищений препарат) за допомогою двовимірного електрофорезупроводиться поділ білків. Це поділ йде за двома напрямками: в одномурозділяються молекули білка, що мають різну масу, в іншому - різнийсумарний електричний заряд. В результаті цієї найтоншої процедури наспеціальному носії однакові молекули групуються, утворюючи макроскопічніплями, причому в кожному плямі містяться тільки однакові молекули. Число плям,тобто число різних білків або пептидів, може становити багато тисяч (рис. 3, 4),і для їх дослідження використовуються автоматичні пристрої для обробки іаналізу. Потім проводиться відбір плям і введення містяться в них речовин всложнейший фізичний прилад - мас-спектрометр, за допомогою якого івизначається хімічна (первинна) структура кожного білка.
Рис.3. Приклад двовимірної Електрофореграми білків з екстракту печінки миші [8]
Рис.4. Приклад двовимірної Електрофореграми пептидів з цереброспінальної рідинилюдини [9]
Рис.5. Нуклеотидних послідовність гена, що кодує сироватковий альбумінлюдини
Первиннуструктуру білка можна також визначити, користуючись результатами геноміки табіоінформатики. На рис. 5 дана повна структура гена сироваткового альбумінулюдини. Вона містить 1830 азотистих основ, які кодують 610 амінокислотнихзалишків. Цей ген, як і абсолютна більшість інших, починається з кодонуatg, що кодує залишок метіоніну, і закінчується одним з стоп-кодонів, вданому випадку taa. Таким чином кодується структура, що складається з 609амінокислотних залишків (рис. 6). Однак ця структура - молекула ще несироваткового альбуміну, а лише його попередника. Перші 24 амінокислотнихзалишку являють собою так званий сигнальний пептид, який припереході молекули з ядра в цитоплазму відщеплюється, і тільки після цьогоутворюється структура сироваткового альбуміну, одержувана при виділенні цьогобілка. У підсумку дана молекула містить 385 амінокислотних з...
