Протеомика

В протеомики ( английский протеомики ) содержит исследование протеома с биохимическими методами. Протеом включает в себя совокупность всех белков, присутствующих в клетке или живом существе в определенных условиях и в определенный момент времени . В отличие от довольно статичного генома, протеом, а также транскриптом динамичны и, следовательно, могут изменять свой качественный и количественный белковый состав из-за измененных условий (факторов окружающей среды, температуры, экспрессии генов, введения лекарств и т. Д.). Динамику протеома можно визуализировать в следующем примере. Гусеница и бабочка , которая выходит из него содержат один и тот же геном, но по- прежнему внешне отличаться из - за различный протеом. То же самое и с головастиком, и с выходящей из него лягушкой. Изменения в протеоме иногда могут происходить очень быстро, например, за счет посттрансляционных модификаций, таких как фосфорилирование и дефосфорилирование белков, которые играют очень важную роль в передаче сигнала .

Протеомика пытается каталогизировать все белки в организме и расшифровать их функции. Чертежи белков можно найти в генетическом составе. Если ДНК генетического материала хранит только информацию, белковые молекулы, состоящие из аминокислот, выполняют множество задач. Они являются основной субстанцией жизни и защищают z. B. как антитела от болезней и как ферменты, помимо прочего , активируют обмен веществ и обеспечивают движение скелета, сухожилий и мышц.

этимология

Слово протеом происходит от австралийского исследователя Марк Уилкинс и упоминается впервые на слайде в своем докладе на съезде 2D электрофорез: от белка карты геномы , 5 сентября 1994 года в Сиене . Формулировка на слайде гласила: « Протеом: протеиновый комплемент, экспрессируемый геномом, клеткой или тканью. (Немецкий: «Протеом: протеиновый комплемент, который экспрессируется геномом клетки или ткани»). Конгресс по-прежнему проводится раз в два года ( начиная с 2012 г.) под руководством Луки Бини и созывается после знаменитого слайда Марка Уилкинса: от генома к протеому .

Направление исследований HUPO и DGPF

Подобно Организации генома человека (HUGO), исследователи Международной протеомной организации человека (HUPO) делятся работой, проводимой во всем мире. Германия концентрируется на исследованиях белков мозга. В Германии ведущие ученые, занимающиеся протеомами и протеомикой, с 2001 года также объединили свои усилия в Немецкое общество исследований протеома (DGPF), чтобы оптимально использовать исследовательский потенциал.

Подзоны

Основные области - это выяснение межбелковых взаимодействий , которые в основном зависят от третичной и четвертичной структуры белков и взаимодействий между их доменами . Очистки белка и количественный анализ на экспрессию белка также принадлежат к области протеомики. Таким образом, он дополняет данные, полученные при анализе экспрессии генов, и предоставляет информацию о компонентах метаболических путей и петлях молекулярного контроля. Белковая инженерия позволяет модифицировать функции рекомбинантных белков , чтобы приспособить его свойство.

Таким образом, ключевые методы протеомики поддерживают выяснение функции и трехмерной структуры белка, а также идентификацию отдельных белков в смесях.

Поскольку все метаболические процессы происходят через белки, на них основаны терапевтические подходы, такие как новые активные ингредиенты против рака , инфекций и некоторых нервных заболеваний. Болезни , такие как серповидно - клеточная анемия , болезнь Альцгеймера , Хантингтона болезнь «ы или болезнь Крейтцфельда-Якоба , основаны на неправильно сформированы и слипания белки. Если известно, какой белок ответственен за неисправность, можно специально разработать небольшую молекулу, которая стыкуется с этим белком и предотвращает дальнейшую неисправность. В промышленности рекомбинантные белки используются в форме детергентных ферментов и биологических пестицидов. Биологи надеются лучше понять, как работают живые существа и жизнь как таковую. В биофизике ожидать «молекулярная анатомия ».

Системная биология

Системная биология - это новая область исследований, основанная на протеомике . Это больше не пытается в одиночку отдельные части z. Б. рассмотреть клетку, но пытается описать взаимодействие всех отдельных частей внутри системы и ее окружения. В дополнение к протеомике v. а. математические модели, моделирующие систему in silico (то есть компьютерные модели).

Палеопротеомика

Помимо «старой» ДНК , ископаемые белки иногда можно выделить из ископаемых костей . Б. позволяют сделать выводы об их принадлежности к определенному биологическому виду . Палеопротеомика, основанная на этом (от греческого παλαιός palaiós , «старый»), выигрывает, в частности, из-за того, что некоторые белки более стабильны, чем ДНК, в течение более длительного периода времени . В 2016 году рабочая группа Жан Жак Хаблин из Института Макса Планка эволюционной антропологии был в состоянии использовать Коллаген образцы около 40000 лет , чтобы выяснить , что археологическая культура в Châtelperronia будет связана с неандертальцами , а не анатомически современных людей ( Homo sapiens ). В 2019 году ископаемые белки из дентина нижней челюсти Сяхэ , обнаруженные в пещере Байшия в высокогорье Тибета, продемонстрировали, что это связано с людьми Денисова , а несколько месяцев спустя образцы дентина возрастом 1,9 миллиона лет подтвердили, что этот род Gigantopithecus является потухшим «сестра» таксон в орангутангов . Еще в 2015 году анализ коллагена выявил более тесную связь между « южноамериканскими копытными » и необычными копытными , а именно Macrauchenia и Toxodon , которые все еще встречались в позднем плейстоцене . Ранее точные отношения между «южноамериканскими копытными» и другими группами копытных были неясными и являлись предметом научных дискуссий. Для вымершего представителя носорогов Stephanorhinus существовала более тесная связь с шерстистым носорогом и, следовательно, с более тесным кругом родственников вокруг сегодняшних суматранских носорогов, на основании протеомов возрастом от 200 000 до 400 000 или 1,8 миллиона лет . Положение также могло быть подтверждено генетическими исследованиями и ранее было принято по анатомическим причинам. Также в 2019 году исследования белков способствовали систематической реорганизации ископаемых и современных ленивцев .

В 2015 году, например, исследование на 80 млн-летних кости Брахилофозавра Canadensis , который принадлежит к группе утка воробьиных динозавров , получило всемирное внимание средств массовой информации , в которых были пептиды обнаружили , что - из - за их сходство с пептидами современных кур и страусов - были интерпретировано как остатки кровеносных сосудов.

Проблемы и тенденции

После некоторого отрезвляющего опыта использования генетических методов, таких как анализ микроматриц , некоторые ученые также несколько скептически относятся к исследованиям протеома. Фридрих Лотцпайх из Института биохимии Макса Планка в Мартинсриде , президент Немецкого общества протеомных исследований (DGPF), предостерегает от преувеличенных надежд:

Сложность проистекает из множества возможностей: согласно Фридриху Лотцпайху, люди имеют от нескольких сотен тысяч до миллионов различных белков. Один ген производит в среднем от пяти до десяти белков, в некоторых случаях несколько сотен. Полное понимание этой сложности - задача, с которой современные методы пока не могут справиться. С другой стороны, исследования протеома быстро развиваются. В основном это связано с постоянным совершенствованием масс-спектрометров , которые становятся все более точными, чувствительными и быстрыми.

Еще одним важным шагом является разработка количественных методов, таких как методы SILAC , iTRAQ , TMT или ICAT, основанные на использовании стабильных изотопов или кодирования металлов MeCAT , в которых металлы разного веса используются для маркировки белков и пептидов из разных образцов белков. Последний позволяет впервые в мультиплексном подходе использовать сверхчувствительную элементную масс-спектрометрию ( ICP-MS ) (предел обнаружения от ppt до более низкого диапазона ppq) в масштабе протеома, что обеспечивает более чем на 2-5 порядков более высокую чувствительность при количественном определении белка и линейный динамический диапазон измерений не менее 6-8 порядков. имея. В отличие от других методов, которые «только» количественно определяют относительно на уровне пептидов, MeCAT преимущественно позволяет относительное и даже абсолютное количественное определение на уровне белка, делая такие виды белков, как посттрансляционно модифицированные белки, более доступными для количественного определения. Калибровка ИСП-МС выполняется с использованием стандартов металлов, не зависящих от белков / пептидов . Следовательно, нет необходимости в стандартных пептидах, специфичных для белков.

Если количественный протеомный анализ комбинировать с другими биологическими методами, можно также сделать выводы о функции белков (например, белок-белковое взаимодействие или посттрансляционные модификации ). Следовательно, современные протеомные исследования выходят далеко за рамки простой каталогизации белков и пытаются понять сложные механизмы.

Смотри тоже

• -комикс
• Биоинформатика
• UniProt

литература

• Дэвид П. Кларк, Нанетт Дж. Паздерник: Молекулярная биотехнология. Основы и приложения . Spectrum Akademischer Verlag, Гейдельберг 2009, ISBN 3-8274-2128-4 , стр. 263-294 . 
• Хуберт Рем : Биохимия белков, протеомика (=  Экспериментатор ). 5-е издание. Spektrum Akademischer Verlag, Гейдельберг, 2006 г., ISBN 3-8274-1726-0 . 
• Ханс Герд Нотванг, Стивен Э. Пфайффер: протеомика нервной системы . Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-31716-5 . 
• Йорг фон Хаген: Подготовка образцов протеомики . VCH-Wiley, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-31796-7 . 
• Сабина Фишер (ред.): Функциональная протеомика. Выявляйте причины болезни на ранней стадии и лечите их целенаправленно . Эльзевир, Мюнхен, 2008 г., ISBN 978-3-437-57920-2 . 
• Фридрих Лотцпайх , Харалабос Зорбас: биоаналитика . Spektrum Akademischer Verlag, Гейдельберг 1998, ISBN 978-3-8274-0041-3 . 
• Скотт Д. Паттерсон, Руди Х. Эберсолд: Протеомика: первое десятилетие и далее . В кн . : Nature Genetics . лента 33 , март 2003 г., стр. 311-323 , DOI : 10.1038 / ng1106 (обзор, бесплатно полный текст). 

веб ссылки

• Протеомика - учимся понимать белки - scinexx knowledge magazine - 16 мая 2003 г.
• Протеомика: взгляд сквозь чащу ( воспоминание от 3 августа 2014 г. в Интернет-архиве ) (PDF; 381 kB)
• Белковая организация человека
• Немецкое общество протеомных исследований

Индивидуальные доказательства

1. ^ Определение протеома
2. ^ Сайт конгресса в Сиене
3. ↑ Рольф Апвайлер, Харалампос Асланидис, Томас Дойфель, Андреас Герстнер, Йенс Хансен, Деннис Хохштрассер, Роланд Келлнер, Маркус Кубичек, Фридрих Лотцпайх, Эдмунд Мазер, Ханс-Вернер Мевес, Хельмут Э. Мейер, Стефан Мюллер, Михаэль Негумютер, Вольфган Питер Ноллау, Ганс Г. Нотванг, Фредрик Понтен, Андреас Радбрух, Кнут Райнерт, Грегор Роте, Ханнес Стокингер, Аттила Тарнок, Майк Дж. Тауссиг, Андреас Тиль, Иоахим Тиери, Мариус Уффинг, Гюнтер Валет, Йоэль Вандекерфхове, Кристофер Валет, Йоэль Вандекерфхове Вагнер, Герд Шмитц: Приближаясь к клинической протеомике. Текущее состояние и будущие области применения клеточной протеомики . В кн . : Цитометрия. Часть A . лента 75 , нет. 10 , октябрь 2009 г., стр. 816-832 , DOI : 10.1002 / cyto.a.20779 , PMID 19739086 (обзор). 
4. ↑ Фридо Велкер, Матея Хайдинжак, Сахра Таламо, [...] и Жан-Жак Хублин: Палеопротеомические свидетельства идентифицируют архаичных гомининов, связанных с Шательперронийцами в Гроте дю Ренн. В: PNAS. Том 113, № 40, 2016 г., стр. 11162–11167, doi: 10.1073 / pnas.1605834113
   Палеопротеомика помогает различать современных людей и неандертальцев. На: mpg.de с 16 сентября 2016 г.
5. ↑ Глаз и глаз с неандертальцем. В: Max Plack Research. №2, 2017, с. 18-25.
6. ↑ Фаху Чен и др.: Денисовская нижняя челюсть позднего среднего плейстоцена с Тибетского плато. В кн . : Природа. Предварительная публикация в Интернете с 1 мая 2019 г., DOI: 10.1038 / s41586-019-1139-x
7. ↑ Фридо Велкер и др.: Протеом эмали показывает, что гигантопитек был ранним расходящимся понджином. В кн . : Природа. Предварительная публикация в Интернете от 13 ноября 2019 г., DOI: 10.1038 / s41586-019-1728-8 .
   Самая старая молекулярная информация на сегодняшний день проливает свет на историю вымершего гигантофитека. На: eurekalert.org от 13 ноября 2019 г.
8. ↑ Фридо Велкер и др. Древние белки раскрывают историю эволюции дарвиновских копытных животных в Южной Америке. В кн . : Природа. Том 522, 2015 г., стр. 81–84, DOI: 10.1038 / nature14249 .
9. ↑ Майкл Бакли: Древний коллаген раскрывает историю эволюции эндемичных южноамериканских «копытных». В: Proceedings of the Royal Society B. Volume 282, 2015, S. 20142671 doi: 10.1098 / rspb.2014.2671 .
10. ↑ Фридо Велкер и др.: Последовательности белков среднего плейстоцена из рода Stephanorhinus носорогов и филогения современных и вымерших средне- и позднеплейстоценовых Rhinocerotidae. В: PeerJ. Том 5, 2017, стр. E3033, doi: 10.7717 / peerj.3033 .
11. ↑ Энрико Каппеллини и др.: Протеом эмали раннего плейстоцена из Дманиси разрешает филогению Stephanorhinus. В кн . : Природа. Том 574, 2019, стр. 103-107, DOI: 10.1038 / s41586-019-1555-y .
12. ↑ Ирина В. Кириллова и др.: Обнаружение черепа Stephanorhinus kirchbergensis (Jäger, 1839) за полярным кругом. В: Четвертичные исследования. Том 88, 2017, стр. 537-550, DOI : 10.1017 / qua.2017.53 .
13. ↑ Саманта Прессли и др.: Палеопротеомика разрешает отношения ленивца. В: Экология и эволюция природы. Том 3, 2019, стр. 1121-1130, DOI : 10.1038 / s41559-019-0909-z .
14. ↑ Тимоти П. Клеланд и др.: Масс-спектрометрия и характеристика на основе антител кровеносных сосудов Brachylophosaurus canadensis. В: Journal of Proteome Reseaarch. Volume 14, No. 12, 2015, pp. 5252–5262, doi: 10.1021 / acs.jproteome.5b00675 Осколки
    костей: исследователи обнаруживают кровеносные сосуды динозавров. На: spiegel.de с 2 декабря 2015 г.
15. ^ Фридрих Lottspeich: Введение в протеомику . В: Йорг Рейндерс, Альберт Зикманн (ред.): Протеомика. Методы и протоколы (=  Методы молекулярной биологии . Том 564 ). Humana Press, Totowa 2009, ISBN 978-1-60761-156-1 , стр. 3-10 , DOI : 10.1007 / 978-1-60761-157-8_1 , PMID 19544014 (обзор). 
16. Перейти ↑ Пьер Джорджио Ригетти, Наташия Кампострини, Дженнифер Паскали, Махмуд Хамдан, Хуберт Астнер: Количественная протеомика. Обзор различных методологий . В: Европейский журнал масс-спектрометрии . лента 10 , вып. 3 . Чичестер (Англия) 2004, стр. 335-348 , DOI : 10,1255 / ejms.600 , PMID 15187293 (обзор). 
17. ^ Фридрих Lottspeich, Йозеф Келлерманн: стратегии маркировки ICPL для исследования протеома . В: Kris Gevaert, Joël Vandekerckhove (Ed.): Безгелевая протеомика. Методы и протоколы (=  Методы молекулярной биологии . Том 753 ). Humana Press, Totowa 2011, ISBN 978-1-61779-147-5 , стр. 55-64 , DOI : 10.1007 / 978-1-61779-148-2_4 , PMID 21604115 .