Proteom, bir hücredeki tüm proteinleri tarif ederken, metabolom tüm metabolitleri açıklamaktadır. Bu ikisi, özellikle hücre biyolojisinin birçok yönüyle bağlantılıdır; hücre sinyallemesi, protein yıkımı ve üretimi ve translasyon sonrası modifikasyondur. Bu yazıda metabolome ve proteom ve arasında olan ilişki hakkında bilgiler yer almaktadır.
Proteom Nedir?
Proteom, bir hücre, doku veya organizmada eksprese edilen proteinlerin bir tamamlayıcısını tarif eder. Bu aynı zamanda protein izoformlarını ve translasyon sonrası varyantları da içerir. MRNA seviyeleri mikrodizi kullanılarak doğru bir şekilde ölçülebilmesine rağmen, her mRNA için net olmayan protein translasyonu ve degradasyon hızını ölçmek için proteinleri ve seviyelerini incelemek gerekir.
İlave olarak, fosforilasyon, ubikuitinasyon (protein aktivitesini modüle eden ve sinyal transdüksiyonuna aracılık eden) ve proteolitik bölünme gibi translasyon sonrası değişiklikler protein aktivitesinin kaderini belirleyebilir. Proteomik analiz protein aktivitesi hakkında önemli bilgiler sunabilse de, bazı dezavantajları vardır:
• Proteom boyutu,> 100.000 protein sayısı ile genom boyutundan birkaç kat daha yüksektir.
• Düşük seviyeli proteinleri tespit etmek zordur.
• Proteinlerin saptanması, protein içeriğinin büyük ölçekli, yüksek verimli taramasının (HTS) kullanımını içerir.
• Proteomik genotip hakkında kapsamlı bilgi sağlamasına rağmen, fenotip hakkında sınırlı bilgi sağlar.
Proteomik Nedir?
Proteomik, bir hücrenin veya bir organizmanın protein ekspresyon analizine sistematik, yüksek verimli yaklaşımla ilgilenen, hızla büyüyen bir moleküler biyoloji alanıdır. Proteomik çalışmalarının tipik sonuçları, birçok koşulda farklı şekilde ifade edilen proteinlerin protein içeriğinin envanterleridir.Hücre, proteinlerinin aktivitesini ve seviyesini düzenleyerek iç ve dış değişikliklere yanıt verir; bu nedenle proteomdaki değişiklikler (genlerde kodlanmış tüm proteinlerin bir koleksiyonu), eylem halindeki hücrenin anlık görüntüsünü sağlar. Proteomik, belirli bir organizmadaki tüm protein içeriğinin yapısını, işlevini ve etkileşimlerini anlamayı sağlar.
Proteomik Tarihçesi
Protein terimi ilk olarak 1938’de elektrokimya alanında başarılara imza atan İsveçli kimyager Jöns Jakob Berzelius tarafından çıkarılmıştır. Canlı organizmalarda bol miktarda bulunan ve doğrusal amino asit zincirlerinden oluşan belirli bir makromolekül sınıfını tanımlamak istemiştir. Proteomik olarak adlandırılabilecek ilk protein çalışmaları 1975 yılında iki boyutlu jelin tanıtılması ve Escherichia coli, kobay fareden elde edilen proteinlerin haritalanması ile başladı. Pek çok protein ayrılıp görselleştirilebilmesine rağmen tanımlanamamıştır.
Proteom ve proteomik terimleri, bir organizmadaki tüm gen koleksiyonunu temsil eden genomik ve genom terimlerini yansıtmak için 1990’ların başında Avustralya’daki Macquarie Üniversitesi’nde öğrenci olan Marc Wilkins tarafından icat edilmiştir. Proteom teriminin ilk kullanımından bu yana anlamı ve kapsamı daralmıştır. Translasyon sonrası modifikasyonlar, alternatif ekleme ürünleri ve klasik ayırma tekniklerine karşı dirençli proteinler, kelimenin geleneksel tanımının gerçekleştirilmesine yönelik bir zorluk ortaya koymuştur.
Günümüzde birçok farklı çalışma alanı proteomiklerle araştırılmaktadır. Bunların arasında protein-protein etkileşim çalışmaları, protein fonksiyonu, protein modifikasyonları ve protein lokalizasyon çalışmaları bulunmaktadır. Proteomiklerin temel amacı yalnızca bir hücredeki tüm proteinleri saptamak değil, aynı zamanda hücrenin tam konumlarını gösteren üç boyutlu eksiksiz bir harita oluşturmaktır. Birçok yönden proteomik, genomik ile paralel ilerler. Genomik için başlangıç noktası, ürünleri (yani proteinler) hakkında çıkarımlar yapmak için bir gendir, oysa proteomik, işlevsel olarak değiştirilmiş protein ile başlar ve üretiminden sorumlu gene geri döner.
Proteomik Türleri
Hedefi belirli bir hücresel organelde bulunan proteinleri veya protein komplekslerinin yapısını haritalamak olan proteomik çalışmaları yapısal proteomikler olarak bilinir. Yapısal analiz, yeni keşfedilen genlerin işlevlerinin belirlenmesine yardımcı olabilir, ilaçların proteinlere nerede bağlandığını ve proteinlerin birbirleriyle nerede etkileşime girdiğini gösterebilir. Yapısal proteomikte bilinen teknolojiler, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi ve X-ışını kristalografisi şeklindedir.
Belirli değişkenlere göre farklılık gösteren numuneler arasındaki protein ekspresyonunun kantitatif çalışması, ekspresyon proteomikleri olarak bilinir. Bu tür proteomikler, belirli bir numunede bulunan ana proteinleri ile ilgili olan numunelerindeğişik şekilde ifade edilen proteinlerin tyanımlanmasında faydalı olabilir. 2D-PAGE ve kütle spektrometresi gibi teknolojiler burada kullanılmaktadır. Fonksiyonel proteomik, birçok spesifik, yönlendirilmiş proteomik metodolojileri için geniş kapsamlı bir terimi temsil eder. Protein-protein etkileşimlerinin karakterizasyonu, protein fonksiyonlarının belirlenmesi ve proteinlerin daha büyük parçalar halinde nasıl bütünleştiğini göstermek için kullanılmaktadır. Bazı durumlarda, belirli alt proteinler, ek analizler için afinite kromatografisi ile izole edilir.
Metabolom Nedir?
Metabolom, bir hücre, doku veya organizmada bulunan tüm metabolitleri belirler. Peptitler, karbonhidratlar, lipitler, nükleosidler ve ekzojen bileşiklerin katabolik ürünleri dahil olmak üzere çeşitli küçük moleküller içerir. Hem sinyalleme hem de yapısal moleküllerden oluşan kapsamlı bir set oluşturur ve bu nedenle yoğun bir araştırma alanıdır. Metabolom, gen transkripsiyonunun nihai aşağı akış ürününü yansıtır ve biyolojik sistemin fenotipine en yakın olanıdır.
Metabolomun boyutu proteomdan (~ 5000 metabolit) çok daha küçük olmasına rağmen, moleküler ve biyokimyasal imzalara göre fonksiyonel öneme sahip çeşitli küçük moleküller dizisini temsil eder. Metabolomik, mikrobiyoloji, beslenme, tarım ve çevre bilimleri ve klinik ve farmasötik alanlar gibi farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Proteom ve Metabolome Arasındaki Bağlantı
Proteom proteinlerden oluştuğu ve metabolom diğerleri arasında amino asitler, peptitler, lipitler ve karbonhidratlardan oluşan eklektik bir molekül karışımından oluştuğu için, bu iki grubun birbirine yakından bağlı olduğunu unutmak kolaydır.
• Protein metabolitlerine bozulması: Proteinler amino asitlerden (metabolitler) oluşur ve proteoliz adı verilen bir işlemle parçalanırlar. Protein katabolizması, proteinleri, deaminasyon işleminin ardından glutamat verecek şekilde daha fazla katabolize edilen amino asitlere ayırır. Amino asitler ayrıca üre, ürik asit, piruvat, amonyak, kreatinin ve trimetilamin N -oksit verecek şekilde katabolize edilebilir . Tüm bu ürünler metabolittir. Protein stabilitesindeki ve bozunmasındaki herhangi bir değişiklik metabolomda değişiklikler meydana getirebilir.
• Metabolitler tarafından çeviri sonrası değişiklikler (PTM) : PTM’lerin çoğu metabolitler tarafından sağlanır. Fosfatlar, şeker, alkoller, organik asitler, polipeptitler, kompleks moleküller ve aldehitler gibi metabolitler fosforilasyon, glikosilasyon, ubikitinasyon, lipidasyon ve karbonilasyona neden olur. PTM tipine ilişkin veriler, protein içindeki aktif veya uyku halindeki duruma yol açan farklı metabolitlerin konsantrasyonu ölçülerek elde edilebilir.
• Kofaktörler olarak metabolitler: Çoğu protein aynı zamanda kofaktörler (NADH veya flavin), sinyal molekülleri (kalsiyum, nitrik oksit, çinko ve prostaglandinler), substratlar ve stabilize edici ajanlar olarak metabolitleri kullanır.
Proteomların ve metabolomların analizi Nükleer Manyetik Rezonans spektrometresi (NMR), x-ışını kırınımı ve yüksek basınçlı sıvı kromatografisi gibi tekniklerle gerçekleştirilir. Proteomik ve metabolomikler, hedef moleküllerin iki boyutlu ve üç boyutlu yapılarının karakterize edilmesini ve birbirine bağlı ağların veya yolların tanımlanmasını içerir.
Proteom ve Metabolom Araştırmaları
Genler, transkriptler, proteinler ve metabolitler hücrenin fiziksel yapı taşlarıdır. Bu unsurlar arasındaki işlevsel ilişkiler, hayat dediğimiz karmaşık bir etkileşimler ağı oluşturur. Araştırmalar yaşam süreçleri hakkında işlevsel bir anlayış elde etmek için bu tür ağların (küçük) parçalarının kodunu çözmeyi amaçlamaktadır. Yapılan araştırma farklı disiplinler arası alanlara dayanmaktadır. Araştırma konularından biri, MALDI Görüntüleme ve klasik histoloji yoluyla insan ve hayvan dokusunun biyomedikal analizidir. Bu, yeni kimyasal matrislerin geliştirilmesi ve sentezinin yanı sıra karmaşık veri setlerinin hesaplamalı analizini içerir. Bir diğer ana odak noktası, Xanthomonas campestris pv’nin biyoteknolojik uygulamasıdır . (campestris bir ksantan üreticisi olarak.) Ayrıca mikropların ve bitkilerin simbiyotik ve patojenik etkileşimleri üzerinde çalışılmaktadır.
Proteom ve metabolom, yenilikçi kanser tedavileri, böbrek nakli ve benzeri terapötiklerde Trans-OMICS yaklaşımını kullanan birçok çalışma ile yakından ilişkilidir.
Kaynakça:
https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1586/14789450.4.3.333
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2556022/
https://www.azolifesciences.com/article/How-are-the-Metabolome-and-Proteome
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu