تحقیق مقاله میکروبیولوژی ملکولی و بیوتکنولوژی

چکیده ای از کتب: پروتئومیک

 "پروتئومیک"

تالیف مصطفی رضایی طاویرانی، سید امیر مرعشی، زھرا قلنبر و مھرنازمصطفوی

مقدمه و مفاهیم اولیه پروتئومیکس

پروتئومیکس  (Proteomics)روشی معقول برای ایجاد ارتباط بین اطلاعات موجود در توالی نوکلئوتیدی و خصوصیات عملکردی یک سلول میباشد.

از پروتئومیکس و تکنیکهای آن در تجزیه و تحلیل تنوع ژنتیکی، توصیف موتانتها، شناسایی و توصیف اثر عوامل غیر زنده بر موجود از طریق پروتئین های پاسخگو، مقاومت موجود به استرس و غیره در زمینه های مختلف از جمله پزشکی، کشاورزی، صنعتی وغیره بطور گسترده استفاده میشود.

اومیکس:(Omics)

اومیکس پسوندی است که زمان زیادی از ابداع آن نمی گذرد. در زیست شناسی کلماتی که به پسوند –ومیکس ختم میشوند شاخه هایی از زیست شناسی هستند که به مطالعه »  همه « محتویات یک سیستم می پردازند. پسوند اوم  (-omes) در یونانی به معنای » همه« می باشد و اومیکس از این پسوند مشتق شده است. برای مثال همه محتویات ژنتیکی یک سیستم»   ژنوم«  نامیده می شود و به مطالعه ژنوم»   ژنومیکسس«   می گویند. پسوندهای اوم و اومیکس هم اولین بار در همین کلمات به کاررفتند. پس از آن این پسوند در کلمه های » پروتئوم « و » پروتئومیکس «هم بکار رفت، و با فاصله کمی به سایر مطالعات زیست شناسی نیز راه یافت. با وجود آنکه لیست این کلمات همچنان روبه گسترش است، اما هنوز ژنومیکسس و پروتئومیکس پرکاربردترین کلمات از این دست محسوب می شوند. اومیکس ها به طور معمول اطلاعات زیستی را در مقیاس بزرگ و سیستمیک بررسی می کنند. به شاخه ای از زیست شناسی که با چنین مطالعاتی سروکار دارد زیست شناسی سیستم ها (Systems Biology) گفته می شود. درزیست شناسی سیستم ها برهمکنش اجزای مختلف یک سیستم زنده (مانند پروتئین ها، مسیرهای متابولیسمی وسلولها) مورد مطالعه قرار می گیرد و امید است چنین مطالعاتی بتواند درنهایت مدل قابل فهمی از یک سیستم زنده ترسیم نماید. برخلاف زیست شناسی مولکولی، در زیست شناسی سیستم ها اجزاء مختلف سیستم را جداگانه مورد مطالعه قرار نمی دهند. مشهورترین » اوم « هایی که در زیست شناسی سیستم ها مورد بررسی قرار میگیرند عبارتند از:

ژنوم:(genome)

در زیست شناسی به کلیه اطلاعات وراثتی (شامل ژنها و مناطق غیر کدکننده) که بوسیله DNA (کروموزومها) رمز می شوند ژنوم گفته می شود. این کلمه در سال 1920 به وسیله Hans Winkler استاد دانشگاه هامبورگ ابداع شده است.

به مطالعه ژنوم موجودات، ژنومیکسس گفته میشود. ابزارهای اصلی که در ژنومیکس مورد استفاده قرار می گیرند آنالیزهای ژنتیکی، توالی یابی DNA، بیوانفورماتیک، اندازه گیری میزان بیان ژنها و روشهای تعیین عملکرد ژنها هستند.

اصطلاح ژنومیکسس نخستین بار در دهه 1980 ابداع شد و با آغاز پروژه های ژنوم چندین موجود زنده دردهه 1990 به طور گسترده ای مطرح شد.

پروتئوم :(proteome)

به مجموعه تمامی پروتئین هایی که در یک موجود زنده خاص در شرایط مشخص (شامل شرایط درونی مانند نوع بافت و شرایط بیرونی مانند تیمارشدن به وسیله دارو است بیان میشوند) پروتئوم گفته می شود. مطالعه پروتئوم را پروتئومیکس می گویند. در یک موجود زنده ژنوم از یک ماهیت پایدار برخوردار است در حالی که پروتئوم ازسلولی به سلول دیگر تغییر می کند و در پاسخ به محیط و برهمکنشهای بیوشیمیایی مرتباً درحال تحول است. درحقیقت یک آنالیز پروتئوم مانند عکس گرفتن از یک پدیده پویا و متغیر است.

افراد مرتبط با پژوهشهای پروتئومیکس معمولاً دریک یا چند بخش از این قسمتها فعالیت میکنند:

 (1) جداسازی پروتئینها:  تمامی تکنولوژی های پروتئومیکس به توانایی ما در خالص سازی و تفکیک اجزاء یک مخلوط پروتئینی وابسته است.

 (2) شناسایی پروتئینها:  معمولاً توالی یک پروتئین بهترین شناسۀ آن است. روش هایی مانند روش توالی یابی ادمن به طور سنتی برای این منظور استفاده می شده اند، اما این روشها در کارهای پروتئومیکس نمی توانند کاربرد گسترده ای داشته باشند چرا که سرعت بسیار پایینی دارند. درحال حاضر روش های طیف سنجی جرمی برای این منظور استفاده می شوند. داده ای که از این روش ها بدست می آید معمولاً یکسری وزن مولکولی قطعات پپتیدی (اثرانگشت جرمی پپتید) و یا در دستگاههای پیشرفته تر چند توالی کوچک از بخش های مختلف پروتئین است. بعداً این داده ها را می  توان با داده های موجود در بانکهای اطلاعاتی توالی پروتئین ها مقایسه کرد و پروتئین مورد مطالعه را شناسایی نمود. امروزه از تراشه های پروتئینی هم ممکن است استفاده شود و پروتئین ها را برحسب ویژگی های اتصالی آنها( که می تواند منحصر به فرد باشد) شناسایی میکنند.

 (3) اندازه گیری میزان پروتئین:  برای اندازه گیری پروتئین از رنگ آمیزی معمولی ژلها به همراه نرم افزارهای آنالیز تصویر میتوان استفاده کرد. در رنگ آمیزی افتراقی، دو نمونه مختلف به وسیله دورنگ فلورسانت متفاوت برچسب گذاری می شوند و به طور همزمان روی ژل از همدیگر تفکیک می گردند. از روی رنگی که هر لکه روی ژل دارد میتوان به میزان بیان پروتئین درهریک از نمونه ها پی برد. روش های مختلفی نیز برای آنالیزهای غیروابسته به ژل طراحی شده اند که از میان آنها میتوان به برچسب گذاری های تمایلی اشاره نمود.

 (4) آنالیزهای محاسباتی توالی پروتئین ها:  مهمترین هدف در این بخش شناسایی یک پروتئین مجهول از میان یک بانک اطلاعاتی بزرگ از پروتئین هاست، اما شناسایی دومین ها، پیش بینی عملکرد پروتئین ها و شناسایی روابط تکاملی پروتئین ها هم در این بخش مد نظر است.

(5)  پروتئومیکس ساختاری:  در این بخش تلاش میشود ساختار سه بعدی پروتئین های یک پروتئوم با سرعت قابل قبولی تعیین گردد. در حال حاضر از ابزارهایی نظیر کریستالوگرافی اشعه X و نیز  NMR برای این منظور بهره برده می شود.

 (6)  پروتئومیکس برهمکنش ها یا اینتراکتومیکس:  در این بخش برهمکنش پروتئین ها مورد مطالعه قرار می گیرد. مهمترین ابزاری که برای این منظور استفاده گردیده تکنیک دوهیبریدی مخمر (Y2H)می باشد. از تراشه های پروتئین نیز برای شناسایی برهمکنش ها استفاده می شود.

 (7) شناسایی تغییرات پروتئین ها:  تقریباً تمامی پروتئین ها کم وبیش با آنچه که از ترجمه خالص رونوشت ژنی آنها پیش بینی می شود تفاوت هایی دارند که به خاطر تغییرات شیمیایی پس از ترجمه حاصل شده است. روش های خاصی برای مطالعه این تغییرات ابداع شده اند که از میان آنها میتوان به فسفوپروتئومیکس (مطالعه فسفریله شدن پروتئین ها) و گلیکوپروتئومیکس (مطالعه گلیکوزیله شدن پروتئین ها) اشاره نمود.

 (8) پروتئومیکس سلولی:  هدف این بخش، که قدمت چندانی ندارد، شناسایی محل دقیق پروتئینها و نوع برهمکنش های پروتئینی در رخدادهای مختلف سلولی است. از جمله ابزارهایی که دراین بخش مورد استفاده قرار می گیرند میتوان به توموگرافی اشعه X و میکروسکوپ فلورسانس اشاره نمود.

سایر » اوم« های مشهور:

از میان سایر» اوم« های مشهور می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- لیپیدوم :(Lipidome) مجموعه لیپیدها و متابولیتهای غیر محلول در آب.

- گلیکوم :(Glycome) به مجموعه تمامی کربوهیدراتهای موجود دریک سیستم زنده اطلاق می شود. مطالعه گلیکوم از پیچیدگی بسیار زیادی برخوردار است، چرا که واحدهای ساختمانی پلی ساکاریدها بسیار متنوع تر ازواحدهای ساختمانی پلی پپتیدها و هر پلیمر زیستی دیگری می باشند.

- ترانسکریپتوم :(transcriptome)  به مجموعه رونوشتهای ژنی (mRNA)  موجود در یک سلول اطلاق می شود.

- متابولوم :(Metabolome) به مجموعه الگوهای متابولیت های موجود در یک سیستم زنده متابولوم گفته می شود. این متابولیت ها محصول نهایی بیان ژنها و پروتئین ها محسوب می شوند. درحقیقت بخش مهمی ازفعالیت هایی که درسلول ها وسایر سیستم های زیستی انجام می پذیرند به غلظت این مولکول های کوچک شیمیایی بستگی دارند. بدیهی است که متابولوم دائماً درحال تغییر است.

- متابونوم :(Metabonome) این اصطلاح هم تقریباً معادل متابولوم است و بیشتر در مطالعات سم شناسی داروها کاربرد پیدا کرده است.

-  اسپیلایسوم  :(Spliceome)به مجموعه تمامی mRNA هایی که از پیرایش چندگانه alternative ) (splicing رونوشت های یک ژن یا ژنوم حاصل می شوند اطلاق می گردد.

- اسپیلایسوزوم :(Spliceosome) به مجموعه تمامی RNA ها و پروتئین هایی که درفرایند پیرایش همکاری می کنند اسپلایسوزوم گفته می شود.

 تاریخچه پروتئومیکس

شیمی پروتئین و ارتباط آن با پروتئومیکس

در شیمی پروتئین، همانگونه که از نامش پیداست ، تلاش می شود تا ویژگی های شیمیایی پروتئین بررسی شود، بدین معنا که از روی یک فعالیت شیمیایی مشاهده شده ) و یا از روی یک فنوتیپ(  ژنها و پروتئین های مسؤول بروز این ویژگی ها شناسایی گردند. با گسترش روشهای زیست شناسی مولکولی مانند کلون کردن ژنها، تکنیکهای توالی یابی و آنالیز بیان ژنها، موفقیت های شیمی پروتئین (یافتن ارتباط بین ویژگی های بیوشیمیایی پروتئین های خالص و ژنهای رمزکننده آنها) سرعت یافت. یکی از مهمترین اهداف شیمی پروتئین یافتن روشهایی بود که به وسیله آن ها بتوان مقادیر نمونه مورد نیاز برای مطالعه پروتئین ها و توالی یابی آنها را تا حد ممکن کاهش داد، چرا که در بیشتر موارد پروتئین ها را بر اساس نوع فعالیت از نمونه های زیستی تخلیص می کردند و مقادیر آنها بسیار کم بود. در بلندمدت، دانشمندان تلاش میکردند پروتئین های خالص دخیل در یک فرایند را در سیستم های in vitro با هم مخلوط کنند و ببینند که آیا وجود این اجزا می تواند سبب بدست آمدن فعالیتی شبیه به فعالیت مشاهده شده در سیستم زنده شود یا خیر.

با پیشرفت روشهای توالی یابی ژنها در مقیاس بالا، یک دیدگاه»  معکوس«  مطرح شد که تلاش می کرد با استفاده از توالی ژنها عملکرد (و فنوتیپ) حاصل از آنها را پیش بینی نماید. برای مثال، با استفاده از مطالعه میزان بیان ژنها، دسته هایی از ژنها که بیان mRNA  آنها به طور همزمان تغییر می کرد شناسایی شدند. در حقیقت، ایده مطالعه ژنهایی که به صورت مرتبط با هم بیان میشوند (به صورت یک آنالیز مقایسه ای بین حالتهای مختلف سلولی) نخستین بار در مسأله مقایسه ژل های دوبعدی پروتئین مطرح شده و مورد توجه قرار گرفته است.