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Proteoma

Che cos'è il proteoma?

Con il termine proteoma si intende l’insieme delle proteine prodotte da una cellula, da un tessuto o da un organismo, il termine è stato coniato per analogia con il genoma (insieme dei geni).

Lo studio della regolazione e della funzione del proteoma in condizioni fisiologiche o patologiche, prende il nome di proteomica.

Partendo dalle informazioni ottenute con l’analisi del genoma di vari organismi, la proteomica si poneva inizialmente il fine di mappare e identificare il maggior numero di proteine di una linea cellulare o di un tessuto.

Strumenti e tecniche più sofisticati hanno però indirizzato la proteomica verso studi funzionali e analisi quantitative delle proteine, fornendo un mezzo molto utile alla diagnostica e alla medicina.

I profili proteici di diversi tessuti tumorali e linee cellulari da essi derivate costituiscono infatti un valido aiuto per la ricerca di varie terapie. La proteomica usa approcci sperimentali, informatici e biochimici.

Rete complessa di interazioni fra proteine alla base del funzionamento della cellula

Una delle  molte sfide della biologia contemporanea è la necessità di selezionare e ricostruire ciascuna delle “macchine proteiche” presenti in ogni organismo vivente (compreso l’uomo).

Per comprendere questi complessi proteici ognugno di essi deve essere ricostruito dalle sue parti purificate, così da poter studiare i dettagli del suo modo di operare in condizioni controllate in provetta, libero da altre componenti cellulari.

Ma oggi si sa che questi subcomponenti di una cellula interagisce anche con altre serie di macromolecole, creando una grande rete di interazioni proteina-proteina e proteina-acido nucleico nella cellula.

Per comprendere la cellula, perciò, bisogna analizzare la  maggior parte di queste altre interazioni.

Un’idea della complessità delle reti di proteine intracellullari può essere ottenuta da un esempio particolarmente studiato: le proteine che interagiscono con il citoscheletro di actina nel Saccharomyces cerevisiae.

Il grado di queste interazioni proteina-proteina può essere stimato anche in modo più generale. Un’enorme quantità di informazioni è oggi liberamente disponibile nei database consultabili online: decine di migliaia di strutture tridimensionali di proteine più decine di milioni di sequenze proteiche  derivate dalle sequenze geniche.

I ricercatori stanno sviluppando nuovi metodi per attingere a questa grande risorsa e accrescere la comprensione delle cellule.

In particolare, si stanno combinando strumenti bioinformatici basati su computer con tecnologie robotiche e di microarray per permettere di studiare in una singola serie di esperimenti migliaia di proteine.

I biologi utilizzano due diversi metodi su larga scala per mappare le interazioni dirette di legame fra le molte diverse proteine presenti in una cellula.

Il metodo iniziale di scelta era basato era basato sulla genetica: tramite una tecnica ingegnosa, nota come "screening del doppio ibrido", decine di migliaia di interazioni tra migliaia di proteine sono state mappate nel lievito, in un nematode e nel moscerino della frutta Drosophila.

Più recentemente ha guadagnato favore un metodo biochimico basato sulla mappatura di affinità e sulla spettrometria  di massa, perché sembra produrre meno risultati spuri. I risultati di queste e di altre analisi che predicono le interazioni di legami fra proteine  sono stati tabulati e organizzati in database disponibili online.

Ciò permette ad un biologo che studia una piccola serie di proteine di scoprire facilmente a quali altre proteine della stessa cellula si pensa che si leghi, e quindi interagisca, quella serie di proteine.

I dati vengono rappresentati graficamente in una mappa di interazioni fra proteine, nella quale ciascuna  proteina   è indicata da un punto e da un quadrato in una rete bidimensionale con linee   rette che connettono quelle proteine di cui è stato dimostrato l’interazione di retta.

Quando sulla stessa mappa sono esposte centinaia di migliaia di proteine il diagramma a rete  diventa complicato in modo sbalorditivo e serve ad illustrare quanto abbiamo ancora  da imparare  prima  di poter comprendere realmente le cellule.

Ma sono più utili  le sottosezioni di queste mappe, centrate su poche proteine di interesse.

  • Le mappe di interazioni tra proteine sono utili per identificare la funzione probabile di proteine non ancora non  caratterizzato.
  • Le reti di interazioni tra proteine devono essere interpretate con cautela, perché, come risultato dell’uso efficiente dell’informazione genetica di ciascun organismo prodotto dall’evoluzione, la stessa proteina può essere usata come parte di  due complessi proteici diversi che hanno diversi tipi di funzione. Così, anche se la proteina A si lega alla proteina B si lega alla proteina C, ma non è detto che le proteine A e C funzionino nello stesso processo.
  • Nei confronti fra specie quelle proteine quelle proteine che mostrano schemi simili di interazioni nelle due mappe di interazioni fra proteine hanno la stessa funzione nella cellula. Così, man mano che i ricercatori  produrranno mappe sempre più dettagliate per organismi multipli, i risultati diventeranno sempre più utili per dedurre la funzione delle proteine.

Questi confronti tra mappe sono uno strumento particolarmente utile per decifrare le funzioni delle proteine umane.

Esiste una grande quantità di informazioni dirette sulla funzione delle proteine che si possono ottenere dalle analisi di ingegneria genetica, mutazionali e genetiche in organismi modello – come lievito, vermi, mosche – che non è disponibile per gli esseri umani.

I dati disponibili suggeriscono che una proteina tipica di una cellula umana interagisce con un numero di partner variabile da 5 a 15.

Spesso ognuno dei diversi domini di una proteina multidominio si lega a serie diversa di partner; in effetti possiamo ipotizzare che le strutture multidominio insolitamente estese osservate per le proteine umane si siano evolute per facilitamente estese osservate per le proteine umane si siano evolute per facilitare queste interazioni.

Data l’enorme complessità delle reti di interazioni delle macromolecole nelle cellule, la decifrazione del loro significato funzionale completa terrà occupati i ricercatori forse per secoli.

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