Протеомика. Понятие. Использование в биотехнологии.

Введение

Возможности протеомики безграничны: они позволяют решать большой ряд практических задач, включая здравоохранение и окружающую среду, спорт. Ее настоящая фундаментальность заключается в возможности практической реализации.
Протеины известно около 200 лет. В начале XIX века химики выбрали имя протеины для этих веществ от греческого слова proteios, что означает «содержащий первое место». В русском языке эти вещества называются белками, что, вероятно, связано с цветом одного из самых распространенных белков - альбумина, когда он обращается под действием высокой температуры. Важность протеомики можно представить себе по одному примеру ее раннего развития. В начале XX века исследователи нашли альтернативные формы инсулина и, таким образом, спасли и продлили миллионы жизней людей, страдающих диабетом.
Целью написания реферата является: формирование системных знаний о промеотике.
Задачи реферата :
- зафиксировать знание о понятии протеомики;
- систематизировать подходы к протеомика в научной литературе;
- проанализировать роль протеомики в биотехнологии;
- проанализировать экстемпоральную рецептуру и технологию в аптеке на базе практики.
Структура реферата состоит с введения, заключения, двух разделов, четырех подразделов и списка литературы.

1. Теоретический анализ понятия промеотика

1.1. Анализ понятия промеотика

Начало XXI века обозначено началом эпохи протеомики. Этот термин исходит из двух других терминов, известных в биохимии: «PROTEins» и «genome» и был впервые использован в 1995 году.
В настоящее время существует два определения протеомики: узкие, которые можно назвать структурной протеомикой и более широкими, которые содержат часть структурной и функциональной протеомики. В более узком смысле, протеомика - это наука о распространении белка посредством комбинированного применения методов: двумерный электрофорез (2D-электрофорез), масс-спектрометрический (МС) анализ молекулярной массы и последовательность электрофоретически разделенных белков из биологического материала , а затем анализ результатов биоинформационного использования.
Структурная протеомика представляет собой комбинацию двумерного электрофореза, масс-спектрометрии и биоинформатики. И, когда возможности выяснения двумерного электрофореза известны в течение длительного времени, так как первая работа О'Фаррелла в 1975 году, возможности MS-анализа для очень быстрого определения молекулярной массы и последовательности полипептидных цепей только недавно стали ясными.
Они развивались настолько быстро, что некоторые компании уже разработали полностью автоматизированные системы для определения молекулярного веса и последовательности белков, которые действуют на феномолярном и атомомолярном уровнях. С помощью комбинации этих методов можно создать протеомическую карту любого биологического материала, который является фенотипическим проявлением генома клетки, ткани или даже цельного органа. В более широком смысле термины протеомный анализ, или протеомика могут быть использованы не только для инвентаризации белков биологического объекта, но и для контроля обратимой посттрансляционной модификации (ПТМ) белков специфическими ферментами, как-то: фосфорилирование, гликозилирование, ацилирование, френилирование, сцльфирование и т.д.
В настоящее время более 300 различных типов посттрансляционной модификации характеризуются протеомикой.
Интенсивное развитие MS-анализа способствовало появлению целой группы исследовательских областей протеомики (рис. 1) за последние 5-7 лет, большинство из которых имеют биомедицинскую направленность, но все еще лежат в основе структурной основы на сегодня и функциональные протеомики.


Основной причиной быстрого развития протеомики в последние десятилетия, несомненно, было интенсивное развитие масс-спектрометрических технологий. На сегодняшний день масс-спектрометрия занимает лидирующие позиции среди других методов спектрального анализа при решении многих структурных и аналитических задач. Это обусловлено ее исключительно высокой чувствительностью (относительная 10-4 – 10-8 %; абсолютная 10-12 - 10-15 г), скоростью анализа, характером получаемой информации, уникальной возможностью исследования многокомпонентных смесей благодаря легкому комбинированию с такой мощной разделительной техникой, как газовая, жидкостная хроматография, капиллярный электрофорез, а также благодаря реализации метода многостадийной тандемной масс-спектрометрии. Масс-спектрометрия представляет собой физико-химический метод анализа, который заключается в превращении молекул образца в ионизированную форму с последующим разделением и записью образованных ими положительных или отрицательных ионов. Массовый спектр позволяет сделать выводы о молекулярной массе соединения, его составе и структуре.
Во всем мире протеомика участвует в инвентаризации всех белков в организме. Медицинский аспект проблемы заключается в установлении корреляции между набором белков и началом или развитием болезни. Задача подобна геномике, в которой связь между заболеванием и геномом определяется, но более сложна на порядок. Дело в том, что белки намного больше, чем гены. Число последних оценивается в 30-40 000, однако каждый ген может быть прочитан в разновидности (до 200) альтернативных вариантов, что означает, что белки могут быть намного больше - до 6-8 миллионов в клетке .
Кроме того, специфический белок может быть выражен как в виде одномодовых, так и в больших количествах - в клетке и биологических жидкостях существует широкий спектр концентраций белка. Можно утверждать, что аналогичная ситуация развивается в анализе ДНК, но, в отличие от ДНК, невозможно получить белки во время полимеразной цепной реакции (ПЦР). И, наконец, ПЦР является основой всех методов работы с генетическим материалом, поскольку он избирательно увеличивает концентрацию конкретной молекулы ДНК до уровня, который может быть зарегистрирован устройствами. Следовательно, методической основой протеомики является подход, при котором чувствительность приборов позволяет регистрировать отдельны молекулы. [4]
Существует международный проект «Human Proteome» (аналогичный «Геномному проекту человека»), который планирует создание протеомической карты всех человеческих белков [5]. Основные цели проекта «Человеческие протемы» - создание протеомических карт плазмы крови, печени и мозга, а также антиген-картирование генома. Кроме того, специальный комитет рассматривает новые технологические инициативы в рамках проекта. Российский центр проекта участвует в разработке протеомической карты плазмы крови и печени, активно разрабатывая новые подходы в области нанотехнологий.
Схема проведения анализа протеома проста и основана на достижениях современной масс-спектрометрии. Образец, например, плазма крови, выводится от пациента в количестве чуть более 1 мл. Очевидно, что в плазме крови существует много разных белков. Разделение белков осуществляется методом двумерного электрофореза, а на двумерном электрофорезе каждый белок выступает как отдельное пятно. Их интенсивность соответствует уровню экспрессии белка, т

. е. Их количеству. Анализ гелей позволяет выявить индивидуальные вариации протеома, оценить статистические параметры для каждого пятна. Затем, сравнивая электрофореграмму с эталонными, удается выявить различия, связанные с заболеваниями.
Существуют различия в увеличении или уменьшении экспрессии белка, некоторые белки появляются в плазме пациента, в то время как другие могут исчезнуть. Однако на этапе анализа двумерных структур электрофореза язык не выходит за рамки конкретных белков, а только по интенсивности пятен. Чтобы определить (идентифицировать) белок, пятно вырезается из геля, расщепляется и масса фрагментов (пептидов), обнаруженных с помощью масс-спектрометрии.
Анализ протемов включает в себя ряд трудоемких рутинных процедур, связанных с тем, что количество анализируемых белков велико, а для статистической значимости результата большое количество образцов должно обрабатываться в соответствии со стандартным протоколом. Выделенные масс-спектры переносятся в программу идентификации белка [6]. Массовый профиль, полученный на масс-спектрометре, соответствующем пептидным фрагментам белка, позволяет однозначно идентифицировать его путем поиска соответствия теоретическим профилям, построенным из белков генома человека, специализированными онлайн-базами данных в онлайн-режиме.
Постгеномная эпоха открывает большие перспективы для российских ученых - в настоящее время в этой области работают около десяти научно-исследовательских институтов Российской академии наук, Российской академии медицины, Министерства здравоохранения России, Министерства промышленности и науки России и Московского государственного университета мощная аппаратная база с квалифицированным техническим персоналом.

1.2. Протеомика в научных исследованиях

Киселев считает, что изучение структуры, функции и взаимодействия белков станет основой функциональной геномики, которая получила название протеомика.
Интеграция достижений протеомных исследований организма здорового и больного человека с учетом выделения перспективных мишеней для новых лекарственных препаратов в общественное здравоохранение и фармацию является крайне необходимой. Однако в настоящее время отсутствует общенациональный план внедрения достижений генетической науки, протеомных исследований в клиническую практику. Поэтому основной задачей ученых, организаторов здравоохранения, практических врачей является анализ и интеграция информации, полученной в области фундаментальных, протеомных исследований на основе новых технологических платформ с последующим внедрением их в клиническую практику [7]. Область протеомики предполагает мощное развитие новых электрофоретических методов исследования и различных видов МС среди других развивающихся технологических способов исследований.
В России технологическая платформа для протеомных исследований, включающая уникальные приборные комплексы 2DPAGE, ПЦР, ВЭЖХ/МС, MALDI-TOFF-MC, представлена и успешно развивается в НИИ физико-химической медицины РАМН (г. Москва) (лаборатория медицинской протеомики, зав.лаб., к.б.н. С.А. Мошковский, созданная в 2005 году), и лаборатория фармакопротеомики, организованной в 2003 году, зав.лаб., к.б.н. В.Г. Згода, в Институте биомедицинской химии им. В.Н. Олеховича РАМН (г. Москва) (лаборатория протеомных исследований, зав.лаб., д.б.н. В.М. Говорун), в Институте биоорганической химии им М.М. Шемякина и Н.А. Овчинникова РАН (г. Москва) (лаборатория геномного и протеомного анализа, зав.лаб., д.б.н. В.М. Говорун), а также в Межинститутском ЦКП СО РАН «Протеомика» (г. Новосибирск).
За рубежом наиболее известными лабораториями, работающими в этих направлениях, являются New Orleans Chemical and Food Related Laboratory (США), Intertek ASG Laboratory, NWTC Laboratory (Великобритания), Celera и Large Scale Proteomics Corp (Роквилл, Мэриленд, США), Incyte Pharmaceuticals и Ciphergen Biosystems (Поло Альто, Калифорния, США), Gene Bio (Женева, Швейцария), Proteome Inс (Беверли, Масочусетс, США), Oxford GlycoSciences (Оксфорд, Англия), Protane (Оденза, Дания).
Современный дизайн протеомного исследования включает выбор методов для пробоподготовки, количественного анализа, МС-анализа биологического образца (Patterson) с последующей обработкой результатов исследования. В последние годы предпринимаются попытки уменьшить комплексность биологического образца и повысить качество анализа, что привело к изменению протокола протеомного анализа. Частичное улучшение качества протеомного анализа может быть достигнуто фракционированием образца и увеличением разрешения метода 2DPAGE, соединением взаимодополняющих методов исследования, повышением качества обработки данных и представления результатов (Сарвилина).
В настоящее время в медицинской литературе представлены исследования нескольких «целевых классов протеинов», которые одновременно являются точками приложения воздействия лекарственных препаратов. Следовательно, возможности, предоставляемые протеомными методами исследования для выявления биомаркеров заболеваний (клиническая протеомика), разработки лекарственных препаратов (фармакопротеомика) и исследования их токсичности (токсикопротеомика), предполагают одномоментную идентификацию белков и исследование их взаимодействий в комплексных биологических жидкостях (И.В. Сарвилина).
Биохимики считают, что в обычной специализированной клетке одновременно присутствуют не более 10 тыс. Белков в разных количествах. Набор белков постоянно меняется в зависимости от фазы клеточного цикла, степени дифференцировки клетки, влияния факторов окружающей среды и тому подобное.
Уже сегодня некоторые компании успешно проводят клинические испытания принципиально новых лекарственных средств, разработанных с использованием достижений геномики и протеомики, которые предназначены для лечения генетических нарушений, вирусных и онкологических заболеваний. Например, доказана высокая эффективность препарата Коагулин-В компании «Avigen», который используют для лечения гемофилии, tgDCC-E1A компании «Targeted Genetics», предназначенный для генной терапии рецидивирующего рака головы и шеи, резистентного к стандартной терапии, и тому подобное. Многие другие препараты оказались чрезвычайно эффективными на стадии доклинического испытания.
Как стало известно, несколько компаний объявили о намерении привлечь дополнительные средства в создание инновационных препаратов на основе технологий геномики и протеомики [8]. Так, компания «Tularik» планирует вложить в разработку новых лекарственных препаратов, предназначенных для лечения рака, цитомегаловирусной инфекции, ожирения и сахарного диабета, 69 млн долларов США, а немецкие компании «Evotec BioSystems» и «MorphoSys» - 64 и 25800000 евро соответственно.
Преимуществом протеомных продуктов является то, что их можно транспортировать в клетки с помощью липосом. Это дает возможность избежать негативного влияния вируса-транспортера (вектора). Многообещающим является использование трансгенных животных, в клетки которых вводят определенный ген, для продукции соответствующих белков. Так, в декабре прошлого года сотрудники Рослинского института (где клонировали овцу Долли) разработали технологию получения человеческого белка, который обладает выраженными противоопухолевыми свойствами