پروتئومیکس چیست؟ راهنمای کامل
پروتئومیکس (Proteomics) یکی از مهم ترین و سریع ترین شاخه های در حال رشد زیست فناوری و پزشکی نوین است. این شاخه علمی پس از پروژه ژنوم انسانی، به عنوان «مرحله بعدی» در درک حیات شناخته می شود. پروتئومیکس (Proteomics) بطور خلاصه یعنی، ( آنالیز سیستماتیک) پروتئین های بیان شده (استخراجی) بوسیله یک ژنوم در یک مکان مشخص در واحد زمان. این علم به مطالعه، آنالیز و بررسی مکانیسم بیان، ترجمه و ارتباط بین پروتئین و سایر مولکول ها می پردازد. این شاخه در بیوتکنولوژی یک علم بین رشته ای تلقی شده و از علوم بیوانفورماتیک، زیست شناسی، پروتئین و شیمی برای مطالعه برهمکنش، تغییرات ، شناسایی و سنجش پروتئین ها استفاده می کند.
اهمیت پروتئین ها
پروتئین های سلول کلید برقراری ارتباط با ژنوم آن است. چرا که رفتار سلول ها و کلیه فعالیت های آن بوسیله پروتئین ها انجام می شود. بدون شناخت و مطالعه پروتئین ها، بررسی و پیش بینی ژنوم غیر ممکن است، بنابراین ژنومیکس برای شناخت کامل ژنوم سلول به پروتئومیکس و پروتئوم وابسته است.
پروتئومیکس دقیقاً چیست؟
پروتئومیکس مطالعه گسترده و جامع پروتئوم (مجموعه کامل پروتئین های بیانشده در یک سلول، بافت یا موجود زنده در یک زمان مشخص) است.
در حالی که ژنومیکس به مطالعه DNA (که اطلاعات ثابت است) می پردازد، پروتئومیکس به پروتئین ها می پردازد که:
- محصولات نهایی اکثر ژن ها هستند.
- مسئول تقریباً تمام عملکردهای سلولی اند.
- بهطور دینامیک و تحت تأثیر عوامل محیطی تغییر می کنند.
به بیان ساده: ژنوم به شما می گوید «چه چیزی ممکن است اتفاق بیفتد»؛ پروتئوم به شما می گوید «چه چیزی واقعاً در حال اتفاق افتادن است».
چرا پروتئومیکس مهمتر از ژنومیکس شده است؟
- یک ژن می تواند چندین پروتئین مختلف تولید کند (به دلیل اسپلایسینگ آلترناتیو و تغییرات پس از ترجمه)
- سطح mRNA لزوماً با سطح پروتئین همخوانی ندارد (همبستگی گاهی کمتر از ۴۰٪)
- اکثر داروها پروتئین ها را هدف قرار می دهند، نه DNA یا RNA
- بسیاری از بیماری ها (مثل سرطان، آلزایمر، دیابت نوع ۲) در سطح پروتئینی اختلال پیدا می کنند.
انواع اصلی پروتئومیکس
| نوع پروتئومیکس | هدف اصلی | مثال کاربردی |
|---|---|---|
| پروتئومیکس بیان گرایی | مقایسه سطح پروتئین ها در شرایط مختلف | پیدا کردن نشانگرهای زیستی سرطان |
| پروتئومیکس ساختاری | بررسی ساختار سه بعدی و تعاملات پروتئینی | طراحی داروهای جدید |
| پروتئومیکس عملکردی | شناسایی عملکرد پروتئین های ناشناخته | کشف مسیرهای سیگنالینگ جدید |
| پروتئومیکس تعاملی | نقشه برداری تعاملات پروتئین-پروتئین (Interactome) | درک شبکه های بیماری |
پروتئوم (Proteom) چیست؟
پروتئوم (Proteom) به تمام پروتئین هایی گفته می شود که بوسیله یک گونه تولید می شود. در واقع پروتئوم به مجموعهٔ کامل و تمام پروتئینهایی گفته میشود که در یک زمان مشخص، در یک موجود زنده، اندام، بافت، سلول یا حتی یک کمپارتمان سلولی (مثل میتوکندری یا غشای پلاسما) بیان و وجود دارند.
به زبان ساده تر:
- ژنوم = تمام ژن های یک موجود زنده (تقریباً ثابت و یکسان در همه سلول ها)
- پروتئوم = تمام پروتئین های واقعی که در همان لحظه در حال ساخته شدن، کار کردن یا تخریب شدن هستند (کاملاً پویا و متغیر)
نکته جالب تر دیگر این است که هر سلول نیز پروتئوم ثابتی ندارد و بر حسب شرایط مانند تنش های محیطی و یا پیام های دریافتی از سلول های دیگر، پروتئین های مختلفی را بیان می کند. در واقع یک سلول ثابت در یک بافت ثابت، در زمان های مختلف پروتئوم های مختلفی دارد. برای شناخت رفتارها ، بر همکنش های مولکولی و پیش بینی ژنوم سلولی، ابتدا باید مکانیسم و عملکرد پروتئین هایی که در آن سلول بیان می شود، بررسی شود که به کلیه این فعالیت ها، نقشه برداری پروتئوم یا پروتئومیکس ( پروتئومیک) گفته می شود.
جدول تفاوت های کلیدی ژنوم و پروتئوم
| ویژگی | ژنوم (Genome) | پروتئوم (Proteome) |
|---|---|---|
| ثبات | تقریباً ثابت در تمام عمر | دائماً در حال تغییر (ثانیه به ثانیه) |
| اندازه | انسان ≈ ۲۰٬۰۰۰ ژن | انسان ≈ ۱۰۰٬۰۰۰ تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ پروتئین مختلف |
| تنوع در سلولهای مختلف | تقریباً یکسان | بسیار متفاوت (کبد ≠ مغز ≠ عضله) |
| تأثیر محیط | خیلی کم | بسیار زیاد (غذا، استرس، دارو و …) |
| تغییرات پس از ساخت | ندارد | بسیار زیاد (فسفریلاسیون، گلیکوزیلاسیون و …) |
چرا پروتئوم خیلی پیچیده تر از ژنوم است؟
- یک ژن، چندین پروتئین: به دلیل اسپلایسینگ آلترناتیو و ویرایش RNA. مثال: ژن DSCAM در مگس میوه، بیش از ۳۸٬۰۰۰ ایزوفرم پروتئینی دارد.
- تغییرات پس از ترجمه (PTM): یک پروتئین می تواند صدها حالت مختلف داشته باشد (مثل فسفریلاسیون در ۱۰ نقطه مختلف).
- نیمه عمر متفاوت: برخی پروتئین ها چند ثانیه و برخی چند هفته زنده می مانند.
- محل قرارگیری متفاوت: یک پروتئین ممکن است همزمان در هسته، سیتوپلاسم و غشا باشد.
روش های اصلی در پروتئومیکس
۱. طیف سنجی جرمی (Mass Spectrometry – MS)
روش طیف سنجی جرمی هنوز طلایه دار میدان پروتئومیکس است. پیشرفت های اخیر:
- Orbitrap Astral (ترکیب Orbitrap + Astral) سرعت ۳۰۰ هرتز و حساسیت فمتومولار
- تکنیک DIA-PASEF (در دستگاه timsTOF) شناسایی بیش از ۱۰٬۰۰۰ پروتئین در یک ران تک سلولی
- پروتئومیکس تک مولکولی با نانوپور (در حال توسعه توسط Oxford Nanopore)
۲. پروتئومیکس بدون برچسب (Label-free)
این روش نسبت به گذشته ارزان تر، سریع تر و دقیق تر شده است.
۳. روش های مبتنی بر برچسب گذاری
- TMTpro ۱۸-plex و ۲۹-plex (تا ۲۹ نمونه همزمان)
- SUPERplex (جدید ۲۰۲۴–۲۰۲۵)
۴. پروتئومیکس تک سلولی (Single-Cell Proteomics)
انقلاب بزرگ ۵ سال اخیر:
- nanoPOTS + TMT ،بیش از ۳۰۰۰ پروتئین در یک سلول
- SCoPE-MS و plexDIA ،هزاران سلول در روز
۵. پروتئومیکس فضایی (Spatial Proteomics)
- Deep Visual Proteomics (ترکیب میکروسکوپ لیزری + MS)
- Imaging Mass Cytometry و MIBI-TOF
برای شناخت خصوصیات پروتئین ها از توالی یابی خودکار ادمن (Automated Edman Sequencer) و توالی یابی مخلوط پپتید ها استفاده شده و سپس اطلاعات توالی درونی پپتیدها از الکتروبلات پروتئین ها بر غشای آبگریز بدست می آید.در سال ۱۹۷۵ اوفارل ( O’ Farrell) و همکاران موفق به معرفی ژل دو بعدی شدند و شروع به نقشه یابی پروتئین های موش (Mice)، باکتری Escherichia coli و خوکچه هندی Guinea pig کردند که این حرکت سرآغاز فعالیت های پروتئومیکس بود.
چالش های باقی مانده پروتئومیکس
علی رغم پیشرفت های عظیم، هنوز مشکلاتی وجود دارد:
- پروتئین های با فراوانی بسیار پایین (مثل فاکتورهای رونویسی)
- پروتئین های غشایی آب گریز
- تغییرات پس از ترجمه (PTM) پیچیده مثل گلیکوزیلاسیون
- حجم بالای داده و نیاز به بیوانفورماتیک پیشرفته
پروتئومیکس دیگر یک علم تحقیقاتی صرف نیست؛ به سرعت در حال تبدیل شدن به ستون اصلی زیست شناسی قرن ۲۱ است. در حالی که در دهه ۹۰ میلادی ژنومیکس همه توجهات را به خود جلب کرده بود، امروز و به ویژه در سال ۲۰۲۵، متخصصین اتفاق نظر دارند که پروتئومیکس کلید واقعی درک بیماری ها و درمان های مؤثر است.
