Рабочие ресурсы человека: ученые выяснили, как количественно распределяются белковые молекулы внутри клетки

Протеомика – наука, занимающаяся идентификацией и количественным анализом белков человека. Выявление и анализ полного списка белков позволит ученым понять процессы, происходящие в организме человека, в том числе и механизмы возникновения болезней. В исследовании протеома человека продвинулись ученые Института биомедицинской химии имени В. Н. Ореховича (ИМБХ). Они проанализировали информацию о распределении белковых молекул (протеоформ) разной представленности внутри клеток человека: выяснили, как количественно распределены в протеоме (многообразии всех белковых молекул) человека эти, образно говоря, рабочие ресурсы. Исследование показало, что распределение одинаково и в нормальных, и в раковых клетках, а также то, что оно описывается степенной функцией, которая отражает и многие другие молекулярные и социальные процессы и явления и известна, в частности, как «закон Цыпфа». Статья опубликована в International Journal of Molecular Sciences.

Чтобы лучше понять функциональность протеома человека, нужна информация о присутствии всех его белковых компонентов — протеоформ. Идентификация и количественная оценка этих компонентов в различных протеомах тканей человека обеспечивает ценный ресурс для понимания множественных процессов, происходящих в них. Ситуация здесь непростая из-за сложности самих белков. Эта сложность может возникать из-за различных клеточных событий, которые и создают многообразные протеоформы, участвующих в широком спектре биологических процессов. То есть термин «протеоформа» охватывает все источники биологических вариаций, которые изменяют первичную аминокислотную последовательность белка и его состав.

До сих пор не удалось идентифицировать и подсчитать все протеоформы, присутствующие в отдельной клетке человека или в плазме человека. Основная проблема заключается в огромном динамическом диапазоне распространенности, где число копий различных протеоформ представлено от одной до миллиарда молекул. К счастью для нас, ситуация здесь не доходит до крайней сложности из-за высокой степени клеточного контроля – не все теоретически возможные протеоформы реально актуализируются. Более того, количественный баланс внутри клеточного протеома строго регулируется механизмами белкового гомеостаза (протеостаза). Соответственно для решения этой задачи необходимо использовать экспериментальные и биоинформатические подходы.

В представленной работе, поддержаной Минобрнауки России, были использованы данные из многих протеомных исследований, в которых проводился абсолютный количественный анализ детектированных белков как в нормальных, так и в раковых клетках. Было рассмотрено несколько публикаций как источников информации о содержании белков или протеоформ в разных тканях или клеточных линиях. Особенно следует отметить данные, полученные в ИБМХ совместно с ПИЯФ НИЦ «Курчатовский институт», где комбинация двумерного электрофореза (2DE) с панорамной масс спектрометрией (ESI LC-MS/MS) значительно повышает количество обнаруженных белков и протеоформ.

В ответ на различные внешние или внутренние раздражители клеточные протеомы претерпевают множественные изменения, которые можно проанализировать с помощью количественной протеомики. В случае рака, количественный анализ белков может применяться для его классификации, диагностики, выбора лекарств, оценки лекарственной устойчивости, оценки терапевтических эффектов и токсичности, поиска терапевтических мишеней и биомаркеров. Например, дифференцировка опухоли подтипов имеет особенно важное клиническое значение при выборе вида лечения. Уже сейчас протеомное профилирование, основанное на количественной масс-спектрометрии, может классифицировать молекулярные подтипы для распространения 532 видов рака. Что важно, в случае рака существует панель белков как с повышенной экспрессией, так и панель с пониженной экспрессией, которые специфичны для каждого типа рака. В результате при злокачественной трансформации общее количество белка в клетке не изменено, а также не меняется и профиль распределения количественного содержания протеоформ, который выражается степенной функцией.

В новом обзоре главный научный сотрудник ИМБХ Станислав Нарыжный провел анализ имеющейся обширной экспериментальной информации о количестве и распространении белков-белковых групп-протеоформ в клетках и тканях человека, полученной в различных научных организациях.

«Закон Ципфа был установлен в физике, биологии и социальных науках. Этот закон гласит, в частности, что частотность любого слова в языке обратно пропорциональна его рангу в частотной таблице. Согласно анализу доступных наборов данных, распределение распространенности протеоформы в клетках человека следует степенной функции или распределению вероятностей Ципфа. В случае протеомики, количество видов протеоформ обратно пропорционально количеству их копий. Если говорить упрощенно, то это означает, что в клетке немного типов протеоформ с количеством копий до нескольких миллионов, но очень много разных типов с единичным количеством копий. Знание данной закономерности позволит лучше понимать закономерности функционирования кдеточного протеома в норме и патологии и, как минимум, даст представление о его размерах», – говорит Станислав Нарыжный.