Протеомика и геномика

Основы геномики

Геномика изучает полный набор генетической информации организма — геном, включающий ДНК и её вариации. Основной задачей геномики является выявление структуры, функции и эволюционных связей генов. Современные методы секвенирования, включая высокопроизводительное секвенирование следующего поколения (NGS), позволяют получать миллионы коротких фрагментов ДНК с последующей сборкой полной последовательности.

Ключевые направления геномики:

• Структурная геномика: исследует организацию генов, расположение геномных элементов, повторов, интронов и экзонов.
• Функциональная геномика: направлена на определение функций генов и их регуляторных элементов. Применяются методы транскриптомного анализа (RNA-seq), изучение экспрессии генов в различных тканях и условиях.
• Сравнительная геномика: анализирует геномы разных видов для выявления эволюционных закономерностей и консервативных генетических элементов.

Методы анализа генома

Секвенирование ДНК: основа геномики. Методы варьируются от классического Сэнгера до NGS и третей генерации (PacBio, Oxford Nanopore), обеспечивающих длинные прочтения и возможность изучения структурных вариаций.

Микрочипы и SNP-анализ: позволяют идентифицировать полиморфизмы нуклеотидов и ассоциации с фенотипами, включая предрасположенность к заболеваниям.

CRISPR/Cas и функциональная геномика: редактирование генов используется для изучения функции генетических элементов и создания моделей заболеваний.

Основы протеомики

Протеомика исследует полный набор белков клетки или организма — протеом. Протеом отличается динамическим характером: экспрессия белков зависит от типа клетки, стадии развития и внешних условий. Основная цель протеомики — идентификация белков, определение их посттрансляционных модификаций и взаимодействий.

Ключевые направления протеомики:

• Идентификация белков: определение состава протеома с использованием масс-спектрометрии (MS) и методов жидкостной хроматографии.
• Квантитативная протеомика: измерение относительного или абсолютного количества белков с помощью изотопного маркирования (SILAC, TMT) или лейбл-фри методов.
• Анализ посттрансляционных модификаций: фосфорилирование, гликозилирование, ацетилирование, метилирование; играют ключевую роль в регуляции активности белков.
• Протеомная сетевой биология: исследование взаимодействий белков (PPI) и построение сигнальных и метаболических сетей.

Методы протеомики

Масс-спектрометрия: основной инструмент. Применяются методы MALDI-TOF и ESI-MS для определения массы и последовательности пептидов. LC-MS/MS обеспечивает высокую разрешающую способность и чувствительность.

Двухмерный гель-электрофорез (2D-PAGE): позволяет разделять белки по изоэлектрической точке и молекулярной массе, используется для первичной визуализации протеома.

Иммуноаффинная хроматография: применяется для обогащения белков с конкретными модификациями или взаимодействующих белковых комплексов.

Интеграция геномики и протеомики

Современная биология ориентирована на интеграцию данных геномики и протеомики для комплексного понимания клеточных процессов.

• Корреляция транскриптома и протеома: позволяет выявлять посттранскрипционные и посттрансляционные регуляции.
• Мультиомика: объединение данных геномики, протеомики, метаболомики и эпигеномики для построения целостных биологических моделей.
• Применение в биомедицине: выявление биомаркеров заболеваний, разработка таргетных лекарственных средств, персонализированная медицина на основе генотипа и протеотипа пациента.

Практическое значение

Геномика и протеомика являются основой современной биотехнологии, фармакологии и молекулярной медицины. Они позволяют прогнозировать эффекты генетических вариаций, выявлять молекулярные мишени лекарств и понимать сложные биологические сети.

Комплексное применение методов геномики и протеомики открывает возможности для системного анализа клеточных процессов, диагностики заболеваний на ранней стадии и разработки новых терапевтических стратегий.