Neuroproteomika - Neuroproteomics

Neuroproteomika je studium protein komplexy a druhy, které tvoří nervový systém. Tyto proteiny interagují, aby se neurony spojily takovým způsobem, aby vytvořily složitost, kterou je nervový systém známý. Neuroproteomika je komplexní pole, které má před sebou dlouhou cestu, pokud jde o profilování celého neuronového proteomu. Jedná se o relativně nedávný obor, který má mnoho aplikací v terapii a vědě. Dosud byly zmapovány pouze malé podskupiny neuronového proteomu, a to pouze při aplikaci na proteiny zapojené do synapse.

Dějiny

Počátky

Slovo proteomika byl poprvé použit v roce 1994 Marcem Wilkinsem jako studie „proteinového ekvivalentu genomu“.[1] Je definován jako všechny proteiny exprimované v biologickém systému za specifických fyziologických podmínek v určitém časovém okamžiku. Může se měnit s jakoukoli biochemickou změnou, a tak ji lze definovat pouze za určitých podmínek. Neuroproteomika je podmnožinou této oblasti zabývající se složitostmi a multisystémovým původem neurologických onemocnění. Neurologická funkce je založena na interakcích mnoha proteinů různého původu, a proto vyžaduje systematické studium subsystémů v rámci jejich proteomické struktury.

Moderní doba

Neuroproteomika má obtížný úkol definovat na molekulární úrovni cesty vědomí, smysly a já. Neurologické poruchy jsou jedinečné[Citace je zapotřebí ] v tom, že ne vždy vykazují vnější příznaky. Definice poruch se stává obtížnou, a proto je neuroproteomika krokem správným směrem k identifikaci biomarkerů, které lze použít k detekci nemocí. Pole musí nejen mapovat různé možné proteiny z genomu, ale existuje mnoho modifikací, ke kterým dochází po transkripci a které ovlivňují také funkci. Protože neurony jsou takové dynamické struktury, které se mění s každým akčním potenciálem, který jimi prochází, nabízí neuroproteomika největší potenciál pro mapování molekulární šablony jejich funkce. Genomika nabízí statický plán buňky, zatímco proteomika může nabídnout pohled do struktur menších než buňka kvůli své specifické povaze pro každý okamžik v čase.

Mechanismy použití

Separace proteinů

Aby neuroproteomika fungovala správně, musí být proteiny odděleny, pokud jde o proteom, ze kterého pocházejí. Například jedna sada může být za normálních podmínek, zatímco druhá může být za chorobných podmínek. Proteiny se běžně dělí pomocí dvourozměrného polyakrylamidového gelu elektroforéza (2D STRÁNKA). U této techniky jsou proteiny vedeny přes nepohyblivý gel s gradientem pH, dokud se nezastaví v bodě, kde je jejich čistý náboj neutrální. Po oddělení nábojem v jednom směru je dodecylsulfát sodný spuštěn v druhém směru, aby se proteiny oddělily podle velikosti. Pomocí této techniky je vytvořena dvourozměrná mapa, kterou lze později použít k porovnání dalších proteinů. Jeden může obvykle odpovídat funkci proteinu identifikací ve 2D PAGE v jednoduché proteomice, protože je známo mnoho intracelulárních somatických drah. V neuroproteomice se však mnoho proteinů kombinuje, aby poskytly konečný výsledek, kterým může být neurologické onemocnění nebo rozpad. Poté je nutné studovat každý protein jednotlivě a najít korelaci mezi různými proteiny, aby bylo možné určit příčinu neurologického onemocnění. Vyvíjejí se nové techniky, které mohou identifikovat proteiny, jakmile jsou odděleny pomocí 2D STRÁNKY.

Identifikace bílkovin

Proteinové oddělené techniky, jako je 2D PAGE, jsou omezené v tom, že nemohou zvládnout druhy proteinů s velmi vysokou nebo nízkou molekulovou hmotností. Pro řešení těchto případů byly vyvinuty alternativní metody. Patří mezi ně hmotnostní spektrometrie s kapalinovou chromatografií spolu s elektroforézou na polyakrylamidovém gelu s dodecylsulfátem sodným nebo hmotnostní spektrometrie s kapalinovou chromatografií probíhající ve více rozměrech. Ve srovnání s jednoduchou 2D stránkou dokáže hmotnostní spektrometrie s kapalinovou chromatografií zvládnout větší rozsah velikostí proteinových druhů, ale je omezena množstvím vzorku proteinu, se kterým zvládne najednou. Hmotnostní spektrometrie kapalinové chromatografie je také omezena nedostatkem referenční mapy, ze které by se dalo pracovat. Složité algoritmy se obvykle používají k analýze okrajových výsledků, ke kterým dojde po spuštění procedury. Neznámé části proteinových druhů však obvykle nejsou analyzovány ve prospěch známých proteomů. Tato skutečnost odhaluje poruchu současné technologie; jsou zapotřebí nové techniky ke zvýšení specificity i rozsahu mapování proteomu.

Aplikace

Drogová závislost

Je všeobecně známo, že drogová závislost zahrnuje trvalou synaptickou plasticitu různých neuronových obvodů. Neuroproteomika se používá ke studiu vlivu drogové závislosti na synapse. Výzkum probíhá izolací odlišných oblastí mozku, ve kterých dochází k synaptickému přenosu, a definováním proteomu pro tuto konkrétní oblast. Je však třeba studovat různá stádia zneužívání drog, aby bylo možné zmapovat postup změn proteinů v průběhu drogové závislosti. Mezi tyto fáze patří lákání, požití, stažení, závislost a odstranění. Začíná to změnou genomu transkripcí, ke které dochází v důsledku zneužívání drog. Pokračuje v identifikaci nejpravděpodobnějších proteinů, které budou léky ovlivněny, a zaměřuje se na tuto oblast. U drogové závislosti je nejpravděpodobnějším cílem synapse, protože zahrnuje komunikaci mezi neurony. Nedostatek smyslové komunikace v neuronech je často vnějším znakem zneužívání drog, a proto se používá neuroproteomika ke zjištění, jaké proteiny jsou ovlivňovány, aby se zabránilo transportu neurotransmiterů. Zejména se studuje proces uvolňování vezikul za účelem identifikace proteinů zapojených do synapsí během zneužívání léků. Proteiny, jako je synaptotagmin a synaptobrevin, interagují za účelem fúze vezikuly do membrány. Fosforylace má také svou vlastní sadu proteinů, které spolupracují, aby umožnily správné fungování synapsí. Léky, jako je morfin, mění vlastnosti, jako je adheze buněk, objem neurotransmiteru a synaptický přenos. Po významné aplikaci morfinu dostaly tyrosinkinázy méně fosforylace, a tak posílaly méně signálů do buňky. Tyto receptorové proteiny nejsou schopny zahájit intracelulární signální procesy, které umožňují neuronu žít, a výsledkem může být nekróza nebo apoptóza. S více a více neurony ovlivněnými v tomto řetězci buněčné smrti může být výsledkem trvalá ztráta senzorické nebo motorické funkce. Identifikací proteinů, které se mění při zneužívání drog, může neuroproteomika dát klinikům ještě dřívější biomarkery, aby testovali, aby se zabránilo trvalému neurologickému poškození.

Nedávno byla vytvořena nová terminologie (Psychoproteomika) výzkumníky z University of Florida od Dr. Mark S Gold Lab. Kobeissy a kol. definoval Psychoproteomiku jako integrální proteomický přístup věnovaný studiu proteomických změn v oblasti psychiatrických poruch, zejména neurotoxicity závislých na návykových látkách a drogách.

Poranění mozku

Traumatické zranění mozku je definován jako „přímý fyzický dopad nebo trauma na hlavu následovaný dynamickou sérií zranění a oprav“.[2] Nedávno byla neuroproteomika použita ke studiu postižení, s nímž žije více než 5,4 milionu Američanů. Kromě fyzického poranění mozkové tkáně indukuje traumatické poranění mozku uvolňování glutamátu, který interaguje s ionotropními glutamátovými receptory (iGluRs). Tyto receptory glutamátu okyselují okolní intrakraniální tekutinu a způsobují další poškození blízkých neuronů na molekulární úrovni. Smrt okolních neuronů je vyvolána normálními mechanismy apoptózy a právě tento cyklus je studován neuroproteomikou. Na apoptotické cestě indukované kyselým prostředím spouštěným glutamátem se podílejí tři různé deriváty cysteinové proteázy. Tyto cysteinové proteázy zahrnují calpain, kaspázu a katepsin. Tyto tři proteiny jsou příklady detekovatelných příznaků traumatického poranění mozku, které jsou mnohem specifičtější než teplota, hladina kyslíku nebo intrakraniální tlak. Proteomika tedy také nabízí sledovací mechanismus, pomocí kterého mohou vědci sledovat průběh traumatického poranění mozku nebo chronického onemocnění. jako je Alzheimerova nebo Parkinsonova choroba. Zejména u Parkinsonovy choroby, kde hrají velkou roli neurotransmitery, zahrnoval nedávný proteomický výzkum studium synaptotagminu. Synaptotagmin se podílí na kalciovém pučení neurotransmiterů obsahujících vezikuly z presynaptické membrány. Studiem intracelulárních mechanismů zapojených do nervové apoptózy po traumatickém poranění mozku mohou vědci vytvořit mapu, na kterou mohou později následovat genetické změny.

Nervový růst

Jedna skupina vědců použila pole neuroproteomiky ke zkoumání toho, jak různé proteiny ovlivňují počáteční růst neuritidy.[3] Experiment porovnával aktivitu proteinů kontrolních neuronů s aktivitou neuronů léčených nervovým růstovým faktorem (NGF) a JNJ460, „imunofilinovým ligandem“. JNJ460 je potomkem jiného léku, který se používá k prevenci imunitního útoku při transplantaci orgánů. Není to imunosupresivum, ale spíše funguje jako štít proti mikrogliím. NGF podporuje životaschopnost a diferenciaci neuronů vazbou na TrkA, kinázu tyrosinového receptoru. Tento receptor je důležitý při zahájení intracelulárních metabolických drah, včetně Ras, Rak a MAP kinázy.

Diferenciace proteinů byla měřena v každém vzorku buněk s ošetřením a bez ošetření pomocí NGF a JNJ460. Peptidová směs byla připravena promytím nenavázaných částí aminokyselinové sekvence v reverzním sloupci. Výsledná směs byla poté suspendována peptidovou směsí v lázni kationtoměničové tekutiny. Proteiny byly identifikovány jejich spojením s trypsinem a následným prohledáním výsledků průchodu produktu hmotnostním spektrometrem. To používá formu kapalinové chromatografie hmotnostní spektrometrie k identifikaci proteinů ve směsi

Ošetření JNJ460 vedlo ke zvýšení proteinů „signální transdukce“, zatímco NGF vedlo ke zvýšení proteinů spojených s ribozomem a syntézou dalších proteinů. JNJ460 také vedl k více strukturním proteinům spojeným s mezibuněčným růstem, jako je aktin, myosin a troponin. Při léčbě NGF buňky zvýšily syntézu bílkovin a tvorbu ribozomů. Tato metoda umožňuje spíše analýzu všech proteinových vzorů než jedinou změnu aminokyseliny. Podle vědců výsledky potvrdily západní bloty, ačkoli změny v proteinech nebyly v jejich protokolu tak zjevné.

Hlavní význam těchto zjištění spočívá v tom, že JNJ460 jsou NGF, což jsou odlišné procesy, které oba regulují produkci proteinu v buňce. JNJ460 vedlo ke zvýšení neuronální velikosti a stability, zatímco NGF vedlo ke zvýšení membránových proteinů. Když se spojí dohromady, významně zvyšují šanci neuronu na růst. I když JNJ460 může „připravit“ některé části buňky k léčbě NGF, nepracují společně. Předpokládá se, že JNJ460 interaguje se Schwannovými buňkami při regeneraci aktinu a myosinu, které jsou klíčovými hráči v axonálním růstu. NGF pomáhá neuronu růst jako celek. Tyto dva proteiny však nehrají roli v komunikaci s jinými neurony. Pouze zvětšují velikost membrány, kterou lze poslat signál. K navádění neuronů k sobě navzájem k vytváření synapsí jsou zapotřebí další proteomy neurotrofního faktoru.

Omezení

Široký rozsah dostupných surových neuronových proteinů, které je třeba zmapovat, vyžaduje, aby počáteční studie byly zaměřeny na malé oblasti neuronů. Při odběru vzorků existuje několik míst, která neurology nejvíce zajímají. Nejdůležitějším výchozím bodem pro neurology je plazmatická membrána. To je místo, kde probíhá většina komunikace mezi neurony. Mapované proteiny zahrnují iontové kanály, receptory neurotransmiterů a transportéry molekul. Podél plazmatické membrány se studují proteiny podílející se na tvorbě lipidových raftů bohatých na cholesterol, protože se ukázalo, že jsou rozhodující pro absorpci glutamátu během počátečních stádií tvorby neuronů. Jak již bylo zmíněno, proteiny vezikul jsou také podrobně studovány, protože se podílejí na nemoci. Sběr vzorků ke studiu však vyžaduje zvláštní pozornost, aby se zajistilo, že nebude narušena reprodukovatelnost vzorků. Když například odebíráme globální vzorek jedné oblasti mozku, proteiny, které jsou všudypřítomné a relativně nedůležité, se na stránce SDS zobrazují velmi jasně. Jiné neprozkoumané, specifičtější proteiny se sotva objeví, a proto jsou ignorovány. Obvykle je nutné rozdělit proteom plazmatické membrány, například na subproteomy charakterizované specifickou funkcí. To umožňuje, aby se tyto konkrétnější třídy peptidů objevily jasněji. Svým způsobem se dělení na subproteomy jednoduše aplikuje zvětšovací čočkou na konkrétní část mapy SDS PAGE globálního proteomu. Tato metoda se jeví jako nejúčinnější při aplikaci na každou buněčnou organelu zvlášť. Například mitochondriální proteiny, které jsou účinnější při přenosu elektronů přes jeho membránu, mohou být účinně specificky zaměřeny, aby odpovídaly jejich schopnosti přenášet elektrony jejich aminokyselinové sekvenci.

Reference

  1. ^ Tribl F; K. Marcus; G Bringmann; HE Meyer; M Gerlach; P Riederer (2006). „Proteomika lidského mozku: Subproteomy mohou držet klíč ke zvládnutí složitosti mozku“. Journal of Neural Transmission. 113 (8): 1041–54. doi:10.1007 / s00702-006-0513-7. PMID  16835691.
  2. ^ Ottens, Andrew K, Firas H. Kobeissy, Erin C. Golden, Zhiqun Zhang, William E. Haskins, Su-Shing Chen, Ronald L. Hayes, Kevin K. Wang, Nancy D. Denslow (2006). „Neuroproteomika v neurotraumě“. Recenze hmotnostní spektrometrie. 25 (3): 380–406. doi:10.1002 / mas.20073. PMID  16498609.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  3. ^ Liu, Tong, Veera D'mello, Longwen Deng, Jun Hu, Michael Ricardo, Sanqiang Pan, Xiaodong Lu, Scott Wadsworth, John Siekierka, Raymon Birge, Hong Li (2006). „Multiplexovaný proteomický přístup k odlišení vzorů růstu neuritů“. Journal of Neuroscience Methods. 158 (1): 22–29. doi:10.1016 / j.jneumeth.2006.05.010. PMC  2423279. PMID  16797718.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

Bibliografie

  • Alzate O. "Neuroproteomika." Frontiers in Neuroscience Series (říjen 2010) C.R.C. Lis. ISBN  978-1-4200-7625-7
  • Abul-Husn, Noura S., Lakshmi A. Devi. „Neuroproteomika synapsí a drogové závislosti.“ The Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics 138 (2006): 461-468.
  • Becker, Michael, Jens Schindler, Hans G. Nothwang. „Neuroproteomika - úkoly, které leží před námi.“ Electrophoresis 27 (2006): 2819-2829.
  • Řezník, Jamesi. „Neuroproteomika přichází z věku.“ The Lancet Neurology 6 (2007): 851-852.
  • Kim, Sandra I., Hans Voshol, Jan van Oostrum, Terri G. Hastings, Michael Casico, Marc J. Glucksmann. "Neuroproteomika: Profilování profilů mozkových proteinů ve zdraví a nemocech." Neurochemical Research 29 (2004): 1317-1331
  • Kobeissy, Firas H., Andrew K.Ottens, Zhiqun Zhang, Ming Cheng Liu, Nancy D. Denslow, Jitendra R. Dave, Frank C. Tortella, Ronald L. Hayes, Kevin K. Wang. „Nová diferenciální neuroproteomická analýza traumatického poranění mozku u potkanů.“ Molecular & Cellular Proteomics 5 (2006): 1887-1898.
  • Liu, Tong, Veera D'mello, Longwen Deng, Jun Hu, Michael Ricardo, Sanqiang Pan, Xiaodong Lu, Scott Wadsworth, John Siekierka, Raymond Birge, Hong Li. „Multiplexovaný proteomický přístup k odlišení vzorů růstu neuritů.“ Journal of Neuroscience Methods 158 (2006): 22-29.
  • Ottens, Andrew K., Firas H. Kobeissy, Erin C. Golden, Zhiqun Zhang, William E. Haskins, Su-Shing Chen, Ronald L. Hayes, Kevin K. Wang, Nancy D. Denslow. „Neuroproteomika v neurotraumě.“ Mass Spectrometry Reviews 25 (2006): 380-406.
  • Ottens, Andrew K. „Metodika neuroproteomiky.“ Methods Mol Biol. (2009) 566: 1-21.
  • Southey, Bruce R., Andinet Amare, Tyler A. Zimmerman, Sandra L. Rodriguez, Jonathan V. Sweedler. „NeuroPred: nástroj pro predikci štěpných míst v prekurzorech neuropeptidů a poskytnutí množství výsledných peptidů.“ Nucleic Acids Research 34 (2006): 267-272.
  • Tribl, F, K Marcus, G Bringmann, H.E. Meyer, M Gerlach, P Riederer. „Proteomika lidského mozku: Subproteomy mohou držet klíč ke zvládnutí složitosti mozku.“ Journal of Neural Transmission 113 (2006): 1041-1054.
  • Williams, Kenneth, Terence Wu, Christopher Colangelo, Angus C. Nairn. „Nedávné pokroky v neuroproteomice a potenciální aplikace ve studiích drogové závislosti.“ Neuropharmacology 47 (2004): 148-166.
  • Kobeissy, Firas H., Sadasivan S, Liu J, Mark S Gold, Kevin K. Wang. „Psychiatrický výzkum: psychoproteomika, degradomika a systémová biologie.“ Expert Rev Proteomics 5 (2008): 293-314.