Протеоміка та її роль у дослідженнях харчування

Junjun Wang, Defa Li, Lawrence J. Dangott, Guoyao Wu, Proteomics and its Role in Nutrition Research, The Journal of Nutrition, том 136, випуск 7, 1 липня 2006 р., Сторінки 1759–1762, https://doi.org/ 10.1093/січня/136.7.1759

харчування

Анотація

З часу запуску проекту з геному людини в 1989 р. Відбулися революційні розробки в технологіях науки про життя, що характеризуються високою пропускною здатністю, високою ефективністю та швидкими обчисленнями. Таким чином, тепер доступні передові інструменти для аналізу ДНК, РНК, білка, низькомолекулярних метаболітів та великих наборів даних у дослідженнях харчування (1–4). Експресія білка - це функціональний результат транскрипції та трансляції генів; таким чином, вона довгий час була предметом великих досліджень біології. Такі дослідження визначили вирішальну роль білків у клітинній структурі та різноманітних біологічних процесах, включаючи передачу сигналу та використання поживних речовин. Використовуючи протеоміку, яка визначається як аналіз протеома (комплементу білків у клітинах, тканинах, органах та фізіологічних рідинах, а також їх взаємодії), дослідники можуть одночасно відображати та визначати тисячі білків у досліджуваному зразку та ідентифікувати їх зміни у відповідь на фізіологічні, патологічні та харчові зміни (1, 2). Хоча аналіз протеомів все ще перебуває в зародковому стані, має великі перспективи для відкриттів у дослідженнях харчування.

Протеомічні технології

Робочі процеси загальновживаних протеомічних технологій: 1. 2D-PAGE MS; 2. підхід зверху вниз; 3. MudIPT; 4. SELDI. Використовувані скорочення: ALD, кислотостійкий миючий засіб; APC, захоплення афінного білка; FTICR, іонний циклотронний резонанс перетворення Фур'є; IEX, іонообмінна хроматографія; PTM, посттрансляційні модифікації; RP-HPLC, зворотно-фазова ВЕРХ; SCX, сильний катіонообмін.

Робочі процеси загальновживаних протеомічних технологій: 1. 2D-PAGE MS; 2. підхід зверху вниз; 3. MudIPT; 4. SELDI. Використовувані скорочення: ALD, кислотостійкий миючий засіб; APC, захоплення афінного білка; FTICR, іонний циклотронний резонанс перетворення Фур'є; IEX, іонообмінна хроматографія; PTM, посттрансляційні модифікації; RP-HPLC, ВЕРХ з оберненою фазою; SCX, сильний катіонообмін.

2D-PAGE MS.

MudPIT.

Цей метод передбачає початкове перетравлення білків специфічною протеазою (зазвичай трипсином). Утворені пептиди розділяють за допомогою сильного катіонообміну та оберненофазної ВЕРХ з подальшим аналізом МС (5). Оскільки джерело іонізації ESI сумісний з рідким зразком, ESI-MS/MS часто зручно поєднується з ВЕРХ. Поряд з MudPIT, мітка ізотопів (включаючи 15 N/14 N, 18 O/16 O або кодовані ізотопом мітки) може бути використана для різного маркування протеомів у контрольних та оброблених зразках, що дає кількісну протеомічну інформацію (2). Інший кількісний метод (абсолютний кількісний аналіз) передбачає додавання 13-міченого пептиду до суміші для перетравлення білка для визначення відновлення пептиду під час обробки зразків (2). MudPIT не тільки долає недоліки 2D-PAGE MS, але також забезпечує наступні переваги: ​​усунення трудомісткого етапу поділу білка; висока чутливість та вимога до малого обсягу вибірки; та універсальні механізми поділу пептидів. Основним недоліком MudPIT є нездатність легко надавати інформацію про білкові ізоформи або посттрансляційні модифікації.

Підхід зверху вниз.

Цей метод передбачає поділ білків спочатку за допомогою кислотостійкого миючого засобу в гель-електрофорезі, а потім за допомогою ВЕРХ із зворотною фазою з подальшим аналізом інтактних білків за допомогою МС (часто ESI-MS/MS) (6). Зовсім недавно іон-циклотронний резонанс перетворення Фур'є був використаний як мас-селективний аналізатор для усунення проблеми, що іони білка з різною масою, але однаковими співвідношеннями маси і заряду, мають однакову частоту циклотрону (1). Перевагами підходу зверху вниз є його застосовність до мембранних білків, які розчиняються в нестійкому в кислоті миючому засобі; динамічні діапазони вимірюваних білків; та його здатність надавати інформацію про білкові ізоформи та посттрансляційні модифікації. Це особливо важливо, коли гени, що цікавлять, не були послідовно розподілені. Хоча підхід зверху вниз швидко набуває визнання, в даний час він не підтримується програмними пакетами для обробки складних наборів даних і може не мати можливості послідовності всіх амінокислотних залишків у білках, що містять циклічний гем (7).

SELDI.

Ця технологія включає поділ білків за допомогою іонного обміну або LC та захоплення спорідненості на основі антитіл або субстратів одного або декількох цікавих білків на масиві білкових чіпів безпосередньо від вихідного матеріалу (8). Поверхні чіпів функціонують для фракціонування та збагачення субпопуляцій білків із складних білкових сумішей (3). Половлені білки аналізують методом лазерної десорбції/іонізації MS-TOF (3). Основними перевагами SELDI є проста підготовка зразків, зменшення складності зразків, придатність для білків з низьким вмістом (наприклад, фактори транскрипції та більшість клітинних білків) та швидке профілювання білка. Однак ця технологія в даний час застосовується лише до білків з максимальною молекулярною масою ≤20 кДа і забезпечує відносно меншу точність маси, ніж метод 2D-PAGE MS.

Застосування протеоміки до досліджень харчування

Протеоміка стала революційним інструментом відкриття в дослідженнях харчування. За допомогою цієї потужної технології її багато областей значно вдосконалено. Сюди входять профілі та характеристики харчових білків та білків, що містяться в організмі; травлення, засвоєння та метаболізм поживних речовин, а також їх функції у рості, розмноженні та здоров’ї; та індивідуальні потреби в поживних речовинах (Таблиця 1).

Застосування протеоміки до досліджень харчування

Склад і характеристики харчових білків
Перетравлення та засвоєння поживних речовин у шлунково-кишковому тракті
Обмін живильних речовин (синтез та катаболізм) та його регуляція
Міжорганний транспорт поживних речовин
Органелло-, клітинний та тканинний метаболізм поживних речовин
Відкриття нових метаболічних шляхів та механізмів їх регуляції
Функції поживних речовин та фітохімікатів у зростанні, розмноженні та здоров’ї
Передача сигналу та захист клітини від окисного стресу
Проліферація, диференціація та апоптоз клітин
Експресія генів у відповідь на поживні речовини та інші дієтичні фактори
Зростання, розвиток та здоров’я плоду та постнатального періоду
Дієтична профілактика та втручання хвороби
Білкові профілі та характеристики клітин, тканин та фізіологічних рідин
Біомаркери та індивідуальні потреби в поживних речовинах

Склад і характеристики харчових білків
Перетравлення та засвоєння поживних речовин у шлунково-кишковому тракті
Обмін живильних речовин (синтез та катаболізм) та його регуляція
Міжорганний транспорт поживних речовин
Органелло-, клітинний та тканинний метаболізм поживних речовин
Відкриття нових метаболічних шляхів та механізмів їх регуляції
Функції поживних речовин та фітохімікатів у зростанні, розмноженні та здоров’ї
Передача сигналу та захист клітини від окисного стресу
Проліферація, диференціація та апоптоз клітин
Експресія генів у відповідь на поживні речовини та інші дієтичні фактори
Зростання, розвиток та здоров’я плоду та постнатального періоду
Дієтична профілактика та втручання в захворювання
Білкові профілі та характеристики клітин, тканин та фізіологічних рідин
Біомаркери та індивідуальні потреби в поживних речовинах

Застосування протеоміки до досліджень харчування

Склад і характеристики харчових білків
Перетравлення та засвоєння поживних речовин у шлунково-кишковому тракті
Обмін живильних речовин (синтез та катаболізм) та його регуляція
Міжорганний транспорт поживних речовин
Органелло-, клітинний та тканинний метаболізм поживних речовин
Відкриття нових метаболічних шляхів та механізмів їх регуляції
Функції поживних речовин та фітохімікатів у зростанні, розмноженні та здоров’ї
Передача сигналу та захист клітини від окисного стресу
Проліферація, диференціація та апоптоз клітин
Експресія генів у відповідь на поживні речовини та інші дієтичні фактори
Зростання, розвиток та здоров’я плоду та постнатального періоду
Дієтична профілактика та втручання хвороби
Білкові профілі та характеристики клітин, тканин та фізіологічних рідин
Біомаркери та індивідуальні потреби в поживних речовинах
Склад і характеристики харчових білків
Перетравлення та засвоєння поживних речовин у шлунково-кишковому тракті
Обмін живильних речовин (синтез та катаболізм) та його регуляція
Міжорганний транспорт поживних речовин
Органелло-, клітинний та тканинний метаболізм поживних речовин
Відкриття нових метаболічних шляхів та механізмів їх регуляції
Функції поживних речовин та фітохімікатів у зростанні, розмноженні та здоров’ї
Передача сигналу та захист клітини від окисного стресу
Проліферація, диференціація та апоптоз клітин
Експресія генів у відповідь на поживні речовини та інші дієтичні фактори
Зростання, розвиток та здоров’я плоду та постнатального періоду
Дієтична профілактика та втручання в захворювання
Білкові профілі та характеристики клітин, тканин та фізіологічних рідин
Біомаркери та індивідуальні потреби в поживних речовинах

Склад і характеристики харчових білків.

Склад і характеристики харчових білків є основними чинниками, що визначають їх харчову цінність та потенційні патогенні ефекти. Традиційно дієтичні білки визначали переважно за допомогою процедури Кельдаля та кислотного гідролізу, які не дають інформації про справжній білок, амінокислотну послідовність або деякі амінокислоти (наприклад, глутамін, аспарагін та триптофан). Такі безцінні дані можна легко отримати за допомогою протеомічного аналізу. Зокрема, нещодавнє дослідження, в якому брали участь 2D-PAGE MALDI-MS, показало, що різні ефекти дієтичних ізолятів сої на людину (наприклад, ліпіди плазми) в клінічних дослідженнях США та Європи пов'язані з різницею у складі використовуваних соєвих білків (наприклад, 7S-глобулінові продукти та цілі 11S-субодиниці глобуліну) (9). Крім того, поліморфізми харчових білків (наприклад, β-лактоглобуліни А і В у коров’ячому молоці) можуть пояснити утворення тонко, але функціонально відмінних пептидів, які мають надзвичайно різну алергенність у людей (4).

Перетравлення та засвоєння поживних речовин у шлунково-кишковому тракті.

Харчові цінності харчових поживних речовин та інші фактори залежать від їх перетравлення та всмоктування в шлунково-кишковому тракті. Однак знання про травні ферменти та транспортери поживних речовин епітеліальних клітин залишаються неповними, і це має вирішальне значення для розробки нових способів посилення надходження низькомолекулярних поживних речовин у ворітну вену. Нещодавній протеомічний аналіз протеома тонкої кишки щурів вказує на наявність раніше нерозпізнаних білків, що беруть участь у молекулярних шаперонах кишечника, пластичність цитоскелету та транспортери вітаміну, такі як гастротропін, філамін-α та попередник білка, що зв’язує вітамін D (10). Крім того, дослідження MALDI-TOF MS виявило наявність 80 білків у подовжньому м’язовому шарі міентеріального сплетення кожного з сегментів кишечника щурів (тонка кишка, клубова кишка та товста кишка); ці білки можуть відігравати нову роль у роботі кишечника (включаючи травлення та всмоктування) (11). Більше того, технологія ESI-MS-MS була використана для ідентифікації регуляції 25 білків та зниження регуляції 18 білків в епітеліальних клітинах кишечника у відповідь на ендотоксин або патогенні бактерії (12), забезпечуючи тим самим пояснення порушення травлення та засвоєння харчових поживних речовин під запальні стани.

Обмін поживних речовин та його регуляція.

Зростає інтерес до ролі протеоміки в просуванні наших знань про метаболізм поживних речовин та його регуляцію. Використовуючи MALDI-TOF MS, Yan та співавт. (13) повідомили про великі відмінності в серцевих гліколітичних або мітохондріальних шляхах між молодими та старечими мавпами або між самцями та самками, що допомагає пояснити різницю статей у ризику серцево-судинних захворювань. Крім того, протеоміка виявила білки, що регулюються вгору і знижують (включаючи віментин та глюкозорегульований білок 78), в адипоцитах, оброблених інсуліном (14), і фактори транскрипції в клітинах ссавців (3). Крім того, рівні печінкових ферментів, що беруть участь у гліколізі, глюконеогенезі, окисленні жирних кислот та метаболізмі амінокислот, сильно варіюються між худими та ожирілими діабетичними мишами, що можна нормалізувати за допомогою активаторів рецепторів, що активуються проліфератором пероксисом (15). Результати цих досліджень значно розширюють наші знання про регуляторні мережі метаболізму поживних речовин.

Функції поживних речовин у зростанні та здоров’ї.

Білкові профілі та характеристики у фізіологічних рідинах.

Геном людини складається з 24 000–30 000 генів, які можуть генерувати ∼ 100 000 білків завдяки варіантам сплайсингу мРНК, обробці білка та посттрансляційним модифікаціям (2). Білкові профілі та характеристики фізіологічних рідин є чудовими показниками харчового статусу та білкових посттрансляційних модифікацій. Оскільки пул крові легко доступний для неінвазивного відбору зразків, білкові профілі в плазмі/сироватці можуть бути використані як біомаркери для оцінки адекватності конкретних поживних речовин, діагностики захворювання та моніторингу терапевтичної реакції. Є дані, що показують, що харчування змінює протеоми плазми та рідини в організмі людини та тварин. Наприклад, дієтичні добавки з α-токоферолом збільшують ізоформи аполіпопротеїну А1 у плазмі крові у нормальних здорових осіб (24), тоді як помітне зниження рівня 3 білків у плазмі крові спостерігається у щурів із дефіцитом ретинолу (8). Крім того, неадекватне забезпечення дієтичним вітаміном B-12 індукує глибокі зміни в протеомі спинномозкової рідини щурів, тим самим пов'язуючи вітамін B-12 з неврологічними функціями (25).

Індивідуалізовані потреби в поживних речовинах.

резюме та перспективи