Геномика и протеомика

В середине двадцатого века ученые начали активно изучать структурные и функциональные особенности человеческого генома, а именно молекулы ДНК. Это дало толчок к развитию молекулярной генетики, которая носит название геномика. После того, как ученым удалось окончательно расшифровать человеческий геном, геномика стала по-настоящему фундаментальной наукой. В настоящее время у клиницистов и генетиков есть все необходимые молекулярные и генетические инструменты, благодаря которым активно изучается геномика человека и ее влияние на течение заболеваний.

Современная генетика оперирует такими ключевыми понятиями – геном, геномика и протеомика. При этом, геном или генотип представляют собой комплекс последовательных цепей ДНК у конкретного живого организма. Геномика человека предусматривает наличие 23 пар хромосом, что представляет собой полную последовательность ДНК. Геномика является наукой, которая изучает вопросы экспрессии генетической информации в виде РНК или ДНК. Поэтому, основной вопрос, на который отвечает геномика человека – это то, какие гены экспрессированы в каждом конкретном случае. Протеомика представляет собой исследование белков, которые экспрессируются в организме или клетке. Эта наука также занимается расшифровкой взаимодействий между белками.

Первоначально геномика и протеомика изучают моногенные болезни, причиной которых является выпадение одного из генов или мутация в ней. После появления новых методов молекулярно-генетического исследования стала развиваться сравнительная геномика, которая предусматривает оценку вероятности развития определенного наследственного заболевания у разных людей. Например, сравнительная геномика позволяет оценить генетические признаки развития таких болезней, как ишемическая болезнь сердца, артериальная гипертензия и сахарный диабет. Это выясняется в зависимости от наличия определенных генов и их последовательностей. Геномика и протеомика занимаются расшифровкой белков, которые кодируются конкретными генами, а также изучением их функции.

Геномика при сердечно-сосудистых заболеваниях

Для решения проблемы высокой заболеваемости и смертности при сердечно-сосудистых заболеваниях, сегодня все больше используется геномика и протеомика. Конечно, изучая только геном, геномика не сможет решить все проблемы кардиальной патологии. Поэтому ученые активно занимаются изучением последовательности нуклеотидов в человеческом геноме. В результате им удалось выяснить, что генотип человека включает не меньше 35 тысяч локусов, которые кодируют определенные белки или регуляторные гены. В перспективе ученые планируют уточнить особенности молекулярных механизмов, благодаря которым геномика человека сможет определять риск возникновения определенной болезни. Для этого нужно будет оценивать не только изменения в отдельных генах, но и нарушения в группе генов. Традиционная геномика в основном занималась изучением тех болезней, за развитие которых отвечает один ген. В частности, речь идет о моногенных заболеваниях. При этой патологии основная причина развития болезни кроется в отсутствии или мутации конкретного гена. На сегодняшний день структурная геномика выделяет до тысячи генов, которые кодируют различную патологию.

Моногенные наследственные заболевания в основном наследуются по закону Менделя. В частности, это касается аутосомных болезней. В частности, геномика человека позволила понять механизмы, по которым одиночные гены могут приводить к различным распространенным заболеваниям сердечно-сосудистой системы. Сегодня геномика предлагает новые генетические факторы, которые участвуют в развитии кардиальной патологии. В частности, генетики выяснили, что ген имеет две копии, которые носят название аллели. Человек считается гомозиготным по определенному локусу, если его геном имеет идентичные аллели. Если эти аллели различные, то особь считается гетерозиготной. Соответственно, те специфические аллели, которые расположены в определенных локусах хромосомы и формируют геном, геномика которого представляет собой комплекс генетических факторов фенотипа. По современным представлениям, фенотип – это все признаки, которые обуславливаются генотипом. В частности, это может быть артериальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца и так далее. То есть фенотип является проявлением действия генов, как одиночных, так и всего генотипа.

Структурная геномика

Геномика представляет собой одно из основных направлений биотехнологий и биогенетики. Эта наука занимается изучением отдельных геномов и функции генов. При этом гены изучаются как по отдельности, так и в комплексе, когда оценивается воздействие нескольких генов на один фенотипический признак. Кроме того, структурная геномика участвует в определении строения, роста и развития определенных биологических функций человека. Помимо структурной, существует также и функциональная геномика, изучение которой является еще более сложной задачей. Более изученной является структурная геномика, которая предусматривает создание и сравнительную оценку различных видов карт генома. Кроме того, в задачи этого раздела биотехнологий входит масштабное секвенирование ДНК. Наиболее крупными исследованиями в области структурной и сравнительной геномики можно считать специальный проект по изучению генома человека, а также международную программу, занимающуюся изучением растительного генома. На основании этих исследований создаются новые каноны этой науки.

Протеомика

В любой клетке постоянно вырабатываются десятки тысяч белковых молекул, каждая из которых обладает своей определенной функцией. Набор этих белков человека носит название протеом. Изучением протеома занимается наука протеомика. Как и геномика, эта наука является одной из важнейших в генетике. Протеомика предусматривает изучение функциональных особенностей, локализации и строения белковых молекул. Кроме того, эта отрасль генетики занимается уточнением характера взаимодействий белков, как расположенных в клетке, так и снаружи клеточных структур. При изучении человеческого протеома наукой протеомикой было выявлено, что один ген в состоянии кодировать не одну тысячу белковых молекул. Поэтому сравнительная геномика позволяет идентифицировать в человеческом протеоме не менее миллиона белков, которые можно сравнивать между отдельными организмами. Для изучения протеома ученые используют оценку функции генов, которые проявляются фенотипическим путем синтеза или экспрессии определенных белковых молекул.

По своей сути протеомика представляет собой науку, в задачи которой входит изучение определенных биологических объектов, что отличает ее от геномики. Кроме того, важной задачей протеомики является изучение отдельных модификаций и структурно-функциональных характеристик белковых молекул. Разветвленный протеомный анализ заключается в одновременном исследовании индивидуальных характеристик белков. Эти белковые молекулы образуют совокупность, которая формируется специальную геномную систему. Благодаря этому протеомика способна охарактеризовать любой исследуемый организм в целом. Основной предмет изучения науки протеомики – это синтез, декомпозиция и модификация белковых молекул любого живого организма. После того, как учеными генетиками был расшифрован геном, геномика смогла получить практически полные данные о том, какую структуру имеют белки человека и других животных. Кроме того, протеомика занимается изучением функции и особенностей протеолитических фрагментов. Для этого их сначала получают в стандартных условиях, благодаря чему удается идентифицировать белковые молекулы и их протеолитические фрагменты.

Перспективы развития протеомики и геномики

Причины стремительного развития протеомики заключаются в том, что с её помощью врачи собираются прогнозировать развитие тех или иных наследственных заболеваний. Это позволит существенно улучшить диагностику, лечение и прогноз этой патологии. Для этого регулярно разрабатываются новые высокотехнологичные методики, благодаря которым удается оценить наличие и количество определенных белковых молекул. При этом происходит идентификация белка с уточнением его первичной структуры и посттрансляционных модификаций. На сегодняшний день большая часть исследований, проведенных в области протеомики и геномики человека, проводятся с применением методики 2-D PAGE. Эта методика предусматривает использование двухмерного геля электрофореза. Однако в последнее время все более активно используются более высокотехнологические методики, которые отличает повышенная информативность и чувствительность. В частности, речь идет о таких методах, как микросеквенирование белковых молекул, хроматография с использованием высокого давления, специальная масс-спектрометрия и так далее.

Поведенческая геномика предусматривает применение различных чипов, отличающихся по типам детекции. Благодаря этому методу удается обнаружить определенные белки и оценить их структуру. Методика использования чипов основывается на сцеплении определенных белков со специфическими для них молекулами. При этом изучается взаимодействие между белками и данными молекулами. Это взаимодействие формируется по принципу антиген-антитело, контакт ДНК с белком, фермент-субстрат или контакт между липидами и белком. Чипы считывают при помощи мощного оборудования, которое идентифицирует их при помощи временной масс-спектрометрии.

Роль протеомики для оценки характера течения основных заболеваний

Сегодня в медицинскую практику все чаще внедряются методы протеомного анализа. С их помощью врачи определяют маркеры, связанные с онкологическими и кардиоваскулярными заболеваниями. Благодаря этому клиническая протеомика позволяет выявить эту серьезную патологию на начальной стадии развития. Клиническая протеомика дает возможность идентифицировать конкретные белки, которые можно выделить в таких биологических образцах, как моча, ликвор, ткань или сыворотка крови. При помощи современных методик поведенческая геномика позволяет проводить мониторинг изменений в концентрации этих белковых молекул. За счет применения методов протеомного анализа генетики идентифицируют не менее 10 тысяч индивидуальных белков, взятых из одного образца. В дальнейшем можно фиксировать концентрацию этих белковых молекул, благодаря чему возможно проведение более точной диагностики и тщательного мониторинга патологии.