Proteomica și rolul său în cercetarea nutrițională Journal of Nutrition Oxford Academic

Junjun Wang, Defa Li, Lawrence J. Dangott, Guoyao Wu, Proteomics and its Role in Nutrition Research, The Journal of Nutrition, volumul 136, numărul 7, 1 iulie 2006, paginile 1759–1762, https://doi.org/ 10.1093/jn/136.7.1759

Abstract

De când a fost lansat proiectul genomului uman în 1989, au existat evoluții revoluționare în tehnologiile științelor vieții, caracterizate prin randament ridicat, eficiență ridicată și calcul rapid. Astfel, sunt disponibile acum instrumente avansate pentru analiza ADN, ARN, proteine, metaboliți cu greutate moleculară mică și seturi mari de date în cercetarea nutrițională (1-4). Expresia proteinelor este rezultatul funcțional al transcrierii și traducerii genelor; astfel, ea a fost mult timp un focus al cercetărilor extinse de biologie. Astfel de studii au identificat rolurile cruciale ale proteinelor în structura celulară și în diverse procese biologice, inclusiv transducția semnalului și utilizarea nutrienților. Utilizând proteomica, care este definită ca analiza proteomului (complementul proteinelor din celule, țesuturi, organe și fluide fiziologice, precum și interacțiunile acestora), cercetătorii pot afișa și determina simultan mii de proteine într-un eșantion de studiu și pot identifica modificări ca răspuns la modificările fiziologice, patologice și nutriționale (1, 2). Deși încă la început, analiza proteomului este o mare promisiune pentru descoperirile din cercetarea nutrițională.

Tehnologii proteomice

Fluxuri de lucru ale tehnologiilor proteomice utilizate în mod obișnuit: 1. MS 2D-PAGE; 2. abordare de sus în jos; 3. MudIPT; 4. SELDI. Abrevieri utilizate: ALD, detergent acid-labil; APC, captarea proteinelor de afinitate; FTICR, rezonanța ciclotronică a transformatului Fourier; IEX, cromatografie cu schimb de ioni; PTM, modificări post-traducătoare; RP-HPLC, HPLC în fază inversă; SCX, schimb puternic de cationi.

2D-PAGE MS.

MudPIT.

Această metodă implică digestia inițială a proteinelor de către o protează specifică (de obicei tripsină). Peptidele generate sunt separate folosind un schimb puternic de cationi și HPLC în fază inversă, urmate de analiza MS (5). Deoarece sursa de ionizare ESI este compatibilă cu o probă lichidă, ESI-MS/MS este adesea cuplat convenabil cu HPLC. Împreună cu MudPIT, etichetarea izotopilor (inclusiv 15 N/14 N, 18 O/16 O sau etichete de afinitate codate cu izotopi) poate fi utilizată pentru a eticheta diferențial proteomii din probele martor și tratate, ceea ce produce informații proteomice cantitative (2). O altă metodă cantitativă (Analiza cantitativă absolută) implică adăugarea unei peptide marcate cu 13 C într-un amestec de digestie a proteinelor pentru determinarea recuperării peptidei în timpul prelucrării probei (2). MudPIT nu numai că depășește neajunsurile MS 2D-PAGE, dar oferă și următoarele avantaje: eliminarea etapei consumatoare de timp pentru separarea proteinelor; sensibilitate ridicată și necesitatea unei dimensiuni reduse a eșantionului; și mecanisme versatile pentru separarea peptidelor. Un dezavantaj major al MudPIT este incapacitatea de a furniza cu ușurință informații cu privire la izoformele proteice sau modificările post-translaționale.

Abordare de sus în jos.

Această metodă implică separarea proteinelor folosind mai întâi un detergent acid-labil în electroforeză pe gel și apoi folosind HPLC în fază inversă, urmată de analiza proteinelor intacte de către MS (adesea ESI-MS/MS) (6). Cel mai recent, rezonanța ciclotronică a transformatului Fourier a fost utilizată ca analizor selectiv de masă pentru a elimina problema că ionii de proteine cu mase diferite, dar aceleași raporturi masă-încărcare prezintă aceeași frecvență de ciclotron (1). Avantajele abordării de sus în jos sunt aplicabilitatea sa la proteinele de membrană care sunt solubile în detergentul acid-labil; domenii dinamice ale proteinelor măsurate; și capacitatea sa de a furniza informații despre izoforme de proteine și modificări post-translaționale. Acest lucru este deosebit de important atunci când genele de interes nu au fost secvențiate. Deși abordarea de sus în jos câștigă rapid recunoașterea, în prezent nu este susținută de pachete software pentru procesarea seturilor de date complexe și este posibil să nu poată secvența toate reziduurile de aminoacizi din proteinele care conțin hemul ciclic (7).

SELDI.

Această tehnologie implică separarea proteinelor prin schimb de ioni sau LC și captarea de afinitate pe bază de anticorpi sau de substrat a uneia sau mai multor proteine de interes pe o matrice de cipuri de proteine direct din materialul sursă original (8). Suprafețele cipului funcționează pentru fracționarea și îmbogățirea subpopulațiilor de proteine din amestecuri complexe de proteine (3). Proteinele captate sunt analizate prin MS-TOF pe bază de desorbție cu laser/ionizare (3). Avantajele majore ale SELDI sunt prepararea simplă a probelor, reducerea complexității probelor, adecvarea pentru proteinele cu abundență redusă (de exemplu, factori de transcripție și majoritatea proteinelor celulare) și profilarea rapidă a proteinelor. Cu toate acestea, această tehnologie se aplică în prezent numai proteinelor cu greutate moleculară maximă ≤20 kDa și oferă o precizie a masei relativ mai mică decât metoda 2D-PAGE MS.

Aplicarea proteomicii la cercetarea nutrițională

Proteomica a apărut ca un instrument revoluționar de descoperire în cercetarea nutrițională. Domeniile sale multiple au fost mult avansate prin utilizarea acestei tehnologii puternice. Acestea includ profiluri și caracteristici ale proteinelor dietetice și ale fluidelor corporale; digestia, absorbția și metabolismul nutrienților, precum și funcțiile acestora în creștere, reproducere și sănătate; și cerințele individualizate de nutrienți (Tabelul 1).

Aplicarea proteomicii la cercetarea nutrițională

Compoziția și caracteristicile proteinelor alimentare

Digestia și absorbția nutrienților în tractul gastro-intestinal

Metabolismul nutrienților (sinteză și catabolism) și reglarea acestuia

Transportul interorganic al nutrienților

Metabolismul nutrienților specific organelor, celulelor și țesuturilor

Descoperirea de noi căi metabolice și mecanismele de reglare a acestora

Funcțiile nutrienților și fitochimicilor în creștere, reproducere și sănătate

Transducția semnalului și apărarea celulară împotriva stresului oxidativ

Proliferarea, diferențierea și apoptoza celulară

Expresia genelor ca răspuns la nutrienți și la alți factori alimentari

Creștere, dezvoltare și sănătate fetală și postnatală

Prevenirea și intervenția dietetică a bolilor

Profilele și caracteristicile proteinelor din celule, țesuturi și fluide fiziologice

Biomarkeri și cerințe individualizate de nutrienți