Proteomica și rolul său în cercetarea nutrițională

Junjun Wang, Defa Li, Lawrence J. Dangott, Guoyao Wu, Proteomics and its Role in Nutrition Research, The Journal of Nutrition, volumul 136, numărul 7, 1 iulie 2006, paginile 1759–1762, https://doi.org/ 10.1093/jn/136.7.1759

Abstract

De când a fost lansat proiectul genomului uman în 1989, au existat evoluții revoluționare în tehnologiile științelor vieții, caracterizate prin randament ridicat, eficiență ridicată și calcul rapid. Astfel, sunt disponibile acum instrumente avansate pentru analiza ADN, ARN, proteine, metaboliți cu greutate moleculară mică și seturi mari de date în cercetarea nutrițională (1-4). Expresia proteinelor este rezultatul funcțional al transcrierii și traducerii genelor; astfel, ea a fost mult timp un focus al cercetărilor extinse de biologie. Astfel de studii au identificat rolurile cruciale ale proteinelor în structura celulară și în diverse procese biologice, inclusiv transducția semnalului și utilizarea nutrienților. Utilizând proteomica, care este definită ca analiza proteomului (complementul proteinelor din celule, țesuturi, organe și fluide fiziologice, precum și interacțiunile acestora), cercetătorii pot afișa și determina simultan mii de proteine ​​într-un eșantion de studiu și pot identifica modificări ca răspuns la modificările fiziologice, patologice și nutriționale (1, 2). Deși încă la început, analiza proteomului este o mare promisiune pentru descoperirile din cercetarea nutrițională.

Tehnologii proteomice

Fluxuri de lucru ale tehnologiilor proteomice utilizate în mod obișnuit: 1. MS 2D-PAGE; 2. abordare de sus în jos; 3. MudIPT; 4. SELDI. Abrevieri utilizate: ALD, detergent acid-labil; APC, captarea proteinelor de afinitate; FTICR, rezonanța ciclotronică a transformatului Fourier; IEX, cromatografie cu schimb de ioni; PTM, modificări post-traducătoare; RP-HPLC, HPLC în fază inversă; SCX, schimb puternic de cationi.

Fluxuri de lucru ale tehnologiilor proteomice utilizate în mod obișnuit: 1. MS 2D-PAGE; 2. abordare de sus în jos; 3. MudIPT; 4. SELDI. Abrevieri utilizate: ALD, detergent acid-labil; APC, captarea proteinelor de afinitate; FTICR, rezonanța ciclotronică a transformatului Fourier; IEX, cromatografie cu schimb de ioni; PTM, modificări post-traducătoare; RP-HPLC, HPLC în fază inversă; SCX, schimb puternic de cationi.

2D-PAGE MS.

MudPIT.

Această metodă implică digestia inițială a proteinelor de către o protează specifică (de obicei tripsină). Peptidele generate sunt separate folosind un schimb puternic de cationi și HPLC în fază inversă, urmate de analiza MS (5). Deoarece sursa de ionizare ESI este compatibilă cu o probă lichidă, ESI-MS/MS este adesea cuplat convenabil cu HPLC. Împreună cu MudPIT, etichetarea izotopilor (inclusiv 15 N/14 N, 18 O/16 O sau etichete de afinitate codate cu izotopi) poate fi utilizată pentru a eticheta diferențial proteomii din probele martor și tratate, ceea ce produce informații proteomice cantitative (2). O altă metodă cantitativă (Analiza cantitativă absolută) implică adăugarea unei peptide marcate cu 13 C într-un amestec de digestie a proteinelor pentru determinarea recuperării peptidei în timpul prelucrării probei (2). MudPIT nu numai că depășește neajunsurile MS 2D-PAGE, dar oferă și următoarele avantaje: eliminarea etapei consumatoare de timp pentru separarea proteinelor; sensibilitate ridicată și necesitatea unei dimensiuni reduse a eșantionului; și mecanisme versatile pentru separarea peptidelor. Un dezavantaj major al MudPIT este incapacitatea de a furniza cu ușurință informații cu privire la izoformele proteice sau modificările post-translaționale.

Abordare de sus în jos.

Această metodă implică separarea proteinelor folosind mai întâi un detergent acid-labil în electroforeză pe gel și apoi folosind HPLC în fază inversă, urmată de analiza proteinelor intacte de către MS (adesea ESI-MS/MS) (6). Cel mai recent, rezonanța ciclotronică a transformatului Fourier a fost utilizată ca analizor selectiv de masă pentru a elimina problema că ionii de proteine ​​cu mase diferite, dar aceleași raporturi masă-încărcare prezintă aceeași frecvență de ciclotron (1). Avantajele abordării de sus în jos sunt aplicabilitatea sa la proteinele de membrană care sunt solubile în detergentul acid-labil; domenii dinamice ale proteinelor măsurate; și capacitatea sa de a furniza informații despre izoforme de proteine ​​și modificări post-translaționale. Acest lucru este deosebit de important atunci când genele de interes nu au fost secvențiate. Deși abordarea de sus în jos câștigă rapid recunoașterea, în prezent nu este susținută de pachete software pentru procesarea seturilor de date complexe și este posibil să nu poată secvența toate reziduurile de aminoacizi din proteinele care conțin hemul ciclic (7).

SELDI.

Această tehnologie implică separarea proteinelor prin schimb de ioni sau LC și captarea de afinitate pe bază de anticorpi sau de substrat a uneia sau mai multor proteine ​​de interes pe o matrice de cipuri de proteine ​​direct din materialul sursă original (8). Suprafețele cipului funcționează pentru fracționarea și îmbogățirea subpopulațiilor de proteine ​​din amestecuri complexe de proteine ​​(3). Proteinele captate sunt analizate prin MS-TOF pe bază de desorbție cu laser/ionizare (3). Avantajele majore ale SELDI sunt prepararea simplă a probelor, reducerea complexității probelor, adecvarea pentru proteinele cu abundență redusă (de exemplu, factori de transcripție și majoritatea proteinelor celulare) și profilarea rapidă a proteinelor. Cu toate acestea, această tehnologie se aplică în prezent numai proteinelor cu greutate moleculară maximă ≤20 kDa și oferă o precizie a masei relativ mai mică decât metoda 2D-PAGE MS.

Aplicarea proteomicii la cercetarea nutrițională

Proteomica a apărut ca un instrument revoluționar de descoperire în cercetarea nutrițională. Domeniile sale multiple au fost mult avansate prin utilizarea acestei tehnologii puternice. Acestea includ profiluri și caracteristici ale proteinelor dietetice și ale fluidelor corporale; digestia, absorbția și metabolismul nutrienților, precum și funcțiile acestora în creștere, reproducere și sănătate; și cerințele individualizate de nutrienți (Tabelul 1).

Aplicarea proteomicii la cercetarea nutrițională

Aplicarea proteomicii la cercetarea nutrițională

Compoziția și caracteristicile proteinelor alimentare.

Compoziția și caracteristicile proteinelor alimentare sunt determinanți majori ai valorilor lor nutriționale și ale potențialelor efecte patogene. În mod tradițional, proteinele dietetice au fost determinate în principal folosind procedura Kjeldahl și hidroliza acidă, care nu oferă informații despre proteine ​​adevărate, secvența de aminoacizi sau unii aminoacizi (de exemplu, glutamină, asparagină și triptofan). Astfel de date neprețuite pot fi furnizate cu ușurință din analiza proteomică. În special, un studiu recent care implică 2D-PAGE MALDI-MS a arătat că efectele diferite ale izolatelor de soia dietetice asupra oamenilor (de exemplu, lipidele plasmatice) în brevetul SUA. și studiile clinice europene sunt legate de diferențele în compoziția proteinelor din soia utilizate (de exemplu, produse de globulină 7S și subunități de globulină 11S intacte) (9). În plus, polimorfismele proteinelor dietetice (de exemplu, β-lactoglobulinele A și B din laptele de vacă) pot explica formarea de peptide distincte, dar funcțional, care au o alergenicitate remarcabil diferită la om (4).

Digestia și absorbția nutrienților în tractul gastro-intestinal.

Valorile nutriționale ale nutrienților din dietă și alți factori depind de digestia și absorbția lor în tractul gastro-intestinal. Cu toate acestea, cunoștințele despre enzimele digestive și transportorii de nutrienți ai celulelor epiteliale rămân incomplete și sunt esențiale pentru proiectarea de noi modalități de îmbunătățire a intrării nutrienților cu greutate moleculară mică în vena portă. O analiză proteomică recentă a proteomei intestinului subțire de șobolan indică prezența proteinelor nerecunoscute anterior implicate în chaperone moleculare intestinale, plasticitatea citoscheletului și transportoare de vitamine, cum ar fi gastrotropina, filamina-α și precursorul proteinei care leagă vitamina D (10). În plus, un studiu MALDI-TOF MS a relevat prezența a 80 de proteine ​​în straturile musculare longitudinale ale plexului myenteric ale fiecăruia dintre segmentele intestinale de șobolan (jejun, ileon și colon); aceste proteine ​​pot juca un rol nou în funcția intestinală (inclusiv digestia și absorbția) (11). Mai mult, tehnologia ESI-MS-MS a fost utilizată pentru a identifica reglarea ascendentă a 25 de proteine ​​și reglarea descendentă a 18 proteine ​​în celulele epiteliale intestinale ca răspuns la endotoxină sau bacterii patogene (12), oferind astfel o explicație pentru digestia afectată și absorbția nutrienților din dietă sub afecțiuni inflamatorii.

Metabolismul nutrienților și reglarea acestuia.

Există un interes tot mai mare în rolul proteomicii în avansarea cunoștințelor noastre despre metabolismul nutrienților și reglarea acestuia. Folosind MALDI-TOF MS, Yan și colab. (13) au raportat diferențe majore în căile glicolitice sau mitocondriale cardiace între maimuțele tinere și cele în vârstă sau între bărbați și femele, ceea ce ajută la explicarea unei diferențe de sex asociată îmbătrânirii în riscul bolilor cardiovasculare. De asemenea, proteomica a identificat proteine ​​reglate în sus și în jos (inclusiv vimentina și proteina 78 reglată de glucoză) în adipocite tratate cu insulină (14) și factori de transcripție în celulele de mamifere (3). Mai mult, nivelurile de enzime hepatice implicate în glicoliză, gluconeogeneză, oxidarea acizilor grași și metabolismul aminoacizilor variază foarte mult între șoarecii diabetici slabi și obezi, care pot fi normalizați cu activatorii receptorilor activați cu proliferatorul peroxizomului (15). Rezultatele acestor studii ne extind foarte mult cunoștințele despre rețelele de reglementare pentru metabolismul nutrienților.

Funcțiile nutrienților în creștere și sănătate.

Profilele și caracteristicile proteinelor în fluidele fiziologice.

Genomul uman este format din 24.000-30.000 de gene, care pot genera aproximativ 100.000 de proteine ​​datorită variantelor de îmbinare a ARNm, procesării proteinelor și modificărilor post-translaționale (2). Profilele și caracteristicile proteinelor din fluidele fiziologice sunt indicatori excelenți ai stării nutriționale și ale modificărilor post-translaționale ale proteinelor. Deoarece fondul de sânge este ușor accesibil pentru prelevarea de probe neinvazive, profilurile de proteine ​​din plasmă/ser pot fi utilizate ca biomarkeri pentru a evalua adecvarea nutrienților specifici, pentru a diagnostica boala și pentru a monitoriza răspunsul terapeutic. Există dovezi care arată că nutriția modifică proteomele plasmatice și ale fluidelor corpului la oameni și animale. De exemplu, suplimentarea alimentară cu α-tocoferol crește izoformele apolipoproteinei A1 plasmatice la subiecții normali sănătoși (24), unde o scădere semnificativă a nivelului plasmatic de 3 proteine ​​apare la șobolanii cu deficit de retinol (8). În plus, furnizarea inadecvată de vitamina B-12 din dietă induce modificări profunde în proteomul lichidului cefalorahidian al șobolanului, legând astfel vitamina B-12 de funcțiile neurologice (25).

Cerințe individualizate de nutrienți.

rezumat și perspective

• Inflația nutrițională Nefrologie Dializa Transplant Oxford Academic
• Excesul de greutate riscă soarta Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism Oxford Academic
• Ciclul menstrual și rata metabolică bazală la femei The American Journal of Clinical Nutrition Oxford
• Nutriție - Servicii academice atletice
• Nutriție - Pământ Academic