چکیده

امروزه شاتگان پروتئومیکس به عنوان یکی از فناوریهای نوین برای شناسایی نقشه پروتئومها معرفی شده است. هدف نهایی آن شناسایی پپتیدها و در نتیجه تشخیص و تعیین مقدار پروتئینهای موجود در نمونه است. پیشرفتهای اخیر در زمینه روشهای مختلف جداسازی از جمله معرفی بسترهای جدید و جداسازیهای چند بعدی، طیف سنج جرمی و همچنین طراحی الگوریتمهای نوین جستجو در پایگاههای اطلاعاتی رسیدن به این امر را تسهیل کرده است. این روش در حوزههای مختلف علم شیمی از جمله صنایع غذایی، آرایشی و بهداشتی و دارویی و همچنین زمینههایی مانند بررسی پروتئینها در سلولهای بنیادی جنین و سلولهای سرطانی، طراحی دارو و بیوتکنولوژی کاربردهای وسیع دارد. در این مقاله سعی بر آن است تا علاوه بر معرفی اصول اولیه شاتگان پروتئومیکس، برخی از پیشرفتهای نوین در بخشهای مختلف آن مطرح شود.

کلمات کلیدی پروتئوم، شاتگان پروتئومیکس، طیف سنجی جرمی، جداسازیهای چند بعدی

Shotgun proteomics: the powerful tool in protein identification

G. Abedi 1, Z. Talebpour 2i

۱ Ph. D. student, Alzahra University , g.abedi2011@yahoo.com

۲ Faculty members, Alzahra University, ztalebpour@alzahra.ac.ir

ABSTRACT

Shotgun proteomics is an effHFWLYH WHFKQRORJ\ IRU JOREDO SURWHRPH SUR OLQJ. 7KH XOWLPDWH goal is peptides identification and subsequently infers proteins and their abundance. Recent development in different separation methods such as introduce new beds and multidimensional separation, mass spectrometer, and design new database searching and protein assembly database searching algorithms, facilitate protein identification. This method in various areas of science including protein in embryonic stem cells and cancer cells, drug design, food, cosmetic and biotechnology applications is vast. This paper is either to introduce the basics of shotgun proteomics or recent developments in

different parts of that.

Keywords: Proteome, shotgun proteomics, mass spectrometry, multidimensional separation

×

i زهرا طالبپور، آدرس: تهران، ده ونک، دانشگاه الزهرا، دانشکده فیزیک-شیمی، گروه شیمی تلفن: ۰۲۱-۸۸۰۴۱۳۴۴ نمابر: ۰۲۱-۸۸۰۴۱۳۴۴
مرکز پژوهش های صنعتی و معدنی هم اندیشان چرخه علم و صنعت ۱۳۹۴

-۱ مقدمه

دانشمندان با تکمیل پروژه ژنوم انسان مشخص کردند که مکانیسم مولکولی رفتار سلولها در شرایط مختلف را نمیتوان از روی توالی ژنهای آنها پیشگویی کرد. رفتار سلولی و تمام فعالیت-هایی که در سلول انجام میشود بر عهده پروتئینها است. در واقع برای ارتباط ژنوم با رفتار سلولها باید پروتئینهای سلولها را شناخت.

عبارت پروتئوم اولین بار توسط مارس ویلکینز در سال ۱۹۹۴ بهکار گرفته شد [۱] و بیان کنندهی کلیهی پروتئینهایی است که در یک سلول در یک زمان مشخص بیان میشوند [۲] و فاصله بین ژنوم و مکانیسم مولکولی رفتار سلولی را پر میکنند. برخلاف ژنوم، برای هر ارگانیسم نمیتوان یک پروتئوم واحد تعریف کرد و پروتئوم سلولهای مختلف با یکدیگر متفاوت هستند. سلولها علاوه بر پروتئینهای ضروری که در همه انواع سلولها بیان میشوند، دارای یک سری پروتئینهای اختصاصی نیز هستند. از این رو بهتر است پروتئوم را برای هر یک از انواع سلولها تعریف نمود. به علاوه پروتئوم یک نوع سلول نیز همیشه ثابت نیست و سلول در برابر شرایط مختلف محیطی و پیامهایی که از سلولهای اطراف دریافت میکند، پروتئینهای مختلفی را بیان میکند. در نتیجه برای شناسایی مکانیسمهای مولکولی رفتار سلولی و واکنشهای زیستی، لازم است پروتئینهایی که در یک سلول بیان میشوند، تغییرات آنها در شرایط مختلف، عملکرد آنها و همچنین برهمکنشهای بین پروتئینهای مختلف در یک سلول، بررسی شود.

به مجموعه تلاشهایی که برای شناسایی و تعیین مقدار همه پروتئینهای یک پروتئوم از جمله بیان، تعیین مکان سلولی، برهمکنش پروتئینها با سایر مولکولها، تغییرات پس از ترجمهای و تغییر و تبدیلات به عنوان تابعی از زمان، فضا و نوع سلول صورت میگیرد، نقشه برداری پروتئوم یا پروتئومیکس گفته میشود .[۳] اصطلاح پروتئومیکس اولین بار در سال ۱۹۹۷ استفاده شد که برگرفته از دو کلمه پروتئین و ژنومیکس است . [۴] تشخیص سریع سرطان و همچنین امکان پیگیری و تعقیب آن در مراحل درمان و پس از آن بسیار حائز اهمیت است. پزشکان معتقدند که تعیین مقدار یک پروتئین یا ماده دیگر در خون بهتنهایی نشانگر خوبی برای تشخیص بیماری نیست، در نتیجه بهدنبال راههای بهتری هستند. در پروتئومیکس بجای توجه به میزان یک پروتئین خاص در سیالات بدن، به الگوی همهی پروتئینها توجه میکند و زیاد یا کم بودن پروتئینهای خاص میتواند اطلاعات مفید و صحیحتری در تشخیص بیماریها در مراحل اولیه به ویژه انواع مختلف سرطان-ها و همچنین بررسی پاسخ به درمان، در اختیار قرار دهد. پروتئومیکس به سه طریق میتواند انجام شود: بالا به پائین، میانه به پائین و پائین به بالا.

روش بالا به پائین برای شناسایی پروتئینهای دست نخورده استفاده میشود. این روش مزیتهای بالقوه برای تغییرات پس از ترجمهای و تعیین ایزوفرم پروتئین دارد. برای پروتئینهای دست نخورده تا وزن ۲۰۰kDa به کار میرود .[۵] این روش به واسطه مشکلات پیش رو در اثر جزء به جزء شدن پروتئین، یونیزاسیون و قطعه قطعه شدن در فاز گازی، در مقایسه با سایر روشها محدودیتهایی دارد.

روش پائین به بالا به توصیف پروتئینها با آنالیز پپتیدهای حاصل از هضم آنها توسط پروتئازها میپردازد. امروزه، آنالیز پائین به بالا روی یک مخلوط از پروتئینها شاتگان پروتئومیکس نامیده میشود [۸] – [۶]، که اولین بار دانشمندی به نام یاتس در سال ۱۹۹۹ به دلیل مشابهت آن به تعیین توالی شاتگان ژنومیکس از این نام استفاده کرد .[۹] جزء به جزء شدن، یونیزاسیون و قطعه قطعه شدن آسان پپتیدها باعث شد تا شاتگان پروتئومیکس بیشتر برای آنالیز پروتئینها استفاده شود. این روش کاربردهای وسیعی در صنایع غذایی، دارویی، آرایشی و بهداشتی، بیوتکنولوژی و … دارد. بهعنوان یکی از کاربردهای مهم این رشته میتوان به شناسایی نشانگرهای زیستی اشاره کرد.

در پروتئومیکس میانه به پائین که ترکیبی از دو روش بالا به پایین و پائین به بالا میباشد، قطعههای پپتیدی بزرگتری نسبت به روش پائین به بالا آنالیز میشود که باعث کاهش پروتئینهای شناسایی شده تکراری میشود. افزون بر این قطعههای پپتیدی بزرگ مزایای پروتئومیکس بالا به پائین را هم خواهند داشت .[۱۰]

امروزه نظریه شاتگان پروتئومیکس گسترش یافته و فقط منحصر به روشهای بدون استفاده از ژل الکتروفورز مثل کروماتوگرافی تعویض یونی/ فاز معکوس جفت شده با طیف سنجی جرمی متوالی نمیشود، بلکه این نظریه روشهای دیگر جزء به جزء کردن مثل سدیم دودسیل سولفات پلی آکریل آمید ژل الکتروفورز۱ (SDS-PAGE)، تمرکز ایزوالکتریک( IEF) 2 و سایر جداسازیهای کروماتوگرافی مایع را هم در بر میگیرد .[۱۱]

اساس کار در شاتگان پروتئومیکس عبارت است از هضم مخلوط پروتئینی توسط یک آنزیم پروتئاز، جداسازی پپتیدهای حاصل از هضم توسط روشهای چند بعدی جداسازی، ورود پپتیدهای جدا شده به طیف سنج جرمی و قطعه قطعه شدن آنها. در ادامه با کمک الگوریتمهای جستجو طیفهای حاصل با پایگاه-های اطلاعاتی موجود مقایسه و شناسایی کیفی انجام میشود و در نهایت با یکی از روشهای نشاندار کردن یا بدون نشاندار کردن آنالیز کمی انجام میشود. این مراحل در شکل ۱ به تصویر کشیده شده است و در ادامه نیز به شرح کامل مراحل مختلف در این روش پرداخته می شود.