Назад
Ученые обнаружили семейства белков в организме, которые потенциально могут предсказать, какие пациенты могут отторгнуть новый орган для пересадки. Это достижение знаменует собой начало новой эры для более точного изучения белков в конкретных клетках.
Ученые обычно смотрят на меняющиеся структуры белков как через очки под водой, получая лишь малую часть доступной информации об их уникальных структурах. Но в новом исследовании, опубликованное в журнале Science, ученые взяли увеличительное стекло для этих же структур и создали подробную карту белковых семейств. Затем они разложили эту карту перед реципиентами, перенесшими трансплантацию печени, и обнаружили новые показатели в белках иммунных клеток, которые менялись при отторжении.
В результате был создан атлас протеоформ крови (Blood Proteoform Atlas - BPA), в котором описано более 56 000 специфических белковых молекул (называемых протеоформами), встречающихся в 21 типе клеток - почти в 10 раз больше таких структур, чем в аналогичных предыдущих исследованиях.
"Мы работаем над созданием белкового эквивалента проекта "Геном человека", - сказал Нил Келлехер, ведущий эксперт в области протеомики и соавтор статьи. "BPA - это микрокосм этого проекта, включая конкретный случай использования".
Каждый человеческий ген имеет не менее 15-20 уникальных форм процессированных белков (протеоформ). А поскольку в человеческом организме 20 300 отдельных генов, существуют миллионы протеоформ, созданных в результате генетических вариаций, модификаций или сплайсинга. По словам Келлехера, если у него будет полная дорожная карта семейства белков каждого гена - цель крупной научной инициативы, известной как Human Proteoform Project, - открытия в области заболеваний, старения и новых терапевтических средств ускорятся.
Лаборатория Келлехера использует современную масс-спектрометрию и анализ данных для эффективного определения протеоформ в клетках и крови, сохраняя протеоформы в целостности в форме анализа по типу "top-down", а не разрезая их на мелкие кусочки, как это принято в отрасли. "Мы начинаем видеть всю сложность", - сказал он. "В этой работе мы демонстрируем измерения, специфичные для пациента, типа клеток и протеоформ, что позволяет нам получить лучшие биомаркеры".
Наличие в составе проекта представителей разных дисциплин позволяет ему концептуально перейти от лабораторного стола к больничной палате. Пока Келлехер изучает научные основы явлений в клетке, соавтор проекта и трансплантационный гепатолог из Northwestern Medicine Джош Левитски работает вместе с ним, чтобы понять, как это можно применить к конкретной системе. Левицкий первоначально связался с Келлехером благодаря его лидерству в области биомаркеров, в которой измеряемые показатели в крови используются для прогнозирования показателей здоровья у пациентов, столкнувшихся с заболеваниями - и в данном случае с отторжением трансплантата печени.
"Для Нила было очень важно, чтобы был биологически значимый пример для контекстуализации того, как эти панели протеоформ могут неинвазивно определять заболевания в качестве маркеров", - говорит Левитски. "Кроме того, в моей области существует потребность в механистических биомаркерах, более соответствующих иммунным биологическим путям. Это может стать началом новой эры в клеточно-специфических маркерах".
Врачи должны подавлять иммунную систему с помощью лекарственной терапии и следить за реципиентами печеночных трансплантатов на предмет признаков отторжения, зачастую реагируя только после начала эпизода. Догадки во всем этом процессе можно устранить, имея конкретные знания о том, что происходит на самом детальном уровне. Используя BPA в качестве базовой карты, специалисты взяли образцы крови у участников одного из исследований Левитски по сбору биомаркеров. Они изучили, какие протеоформы активировались в ответ на трансплантацию, и определили те, которые изменились по сравнению с пациентами без отторжения.
Затем группа Левицкого и Келлехера создала панель из 24 протеоформ, полученных в ходе первоначального исследования, и изучила их в образцах реципиентов трансплантатов. Они обнаружили, что активизировались те же протеоформы, что и в первом исследовании.
"Перспектива заключается в том, чтобы использовать эту панель в дальнейшем для определения пациентов, у которых нет признаков отторжения, и тех, у кого признаки отторжения появляются очень рано", - сказал Левитски. "Если мы сможем определить это за несколько недель до того, как произойдет отторжение, мы сможем изменить иммуносупрессию".
Левитски продолжает изучать, как протеоформы изменяются у реципиентов трансплантата с течением времени, чтобы определить дополнительные биомаркеры, которые могут помочь в дальнейшем лечении пациентов. По словам Келлехера, по мере того, как растет число типов клеток в атласе, будут расти и потенциальные способы его использования. Помимо расширения понимания биологии человека, BPA может иметь аналогичное применение при иммунных заболеваниях.
Rafael D. Melani et al. Атлас протеоформ крови: референсная карта протеоформ в гемопоэтических клетках человека (аннотация).
Биология человека тесно связана с белками, однако большинство измерений не позволяют точно определить альтернативно сплайсированные сиквенсы или посттрансляционные модификации. В настоящем исследовании мы представляем первичные структуры ~30 000 уникальных протеоформ, что почти в 10 раз больше, чем в предыдущих исследованиях, экспрессированных из 1690 человеческих генов в 21 типе клеток и плазме крови и костного мозга человека.
Результаты, собранные в Атласе протеоформ крови (BPA), показывают, что протеоформы лучше описывают биологию на уровне белков и являются более специфичными индикаторами дифференциации, чем соответствующие белки, которые более широко экспрессируются в различных типах клеток. Мы демонстрируем потенциал клинического применения, исследуя BPA в контексте трансплантации печени и выявляя сигнатуры клеток и протеоформ, которые отличают нормальную функцию трансплантата от острого отторжения и других причин дисфункции трансплантата.
