Proteiinit pyörittävät elimistöämme, ja ihmisen perimän selvitys teki niiden systemaattisen tutkimisen mahdolliseksi. Koko proteomin selvittäminen on kuitenkin huomattavasti isompi urakka kuin genomin.

 TEKSTI:Heikki Keskitalo

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Proteiinit pyörittävät elimistöämme, ja ihmisen perimän

Sisältö jatkuu mainoksen alla

selvitys teki niiden systemaattisen tutkimisen mahdolliseksi.


 Koko proteomin selvittäminen on kuitenkin huomattavasti


isompi urakka kuin genomin.

Julkaistu Tiede-lehdessä 4/2003


 





Mikä proteomi?

• Genomilla eli perimällä tarkoitetaan eliön kaikkia geenejä.

• Proteomilla tarkoitetaan kaikkia proteiineja, joita eliön tai sen solun koko genomi tuottaa.

• Proteomiikka on tutkimusta, jonka kohteena on koko proteomi.


Kun ihmisen genomi eli koko perimä saatiin ensi kertaa luetuksi vuonna 2000, alettiin myös toden teolla valmistautua postgenomiaikaan. Sinä ja seuraavana vuonna polkaistiin nimittäin käyntiin kaksi suurhanketta, joiden tavoitteena on tunnistaa kaikki geeniemme tuottamat proteiinit ja kerätä tästä proteomista mahdollisimman paljon tietoa.

Ensin syntyi Euroopan ja Sveitsin bioinformatiikan instituuttien HPI-projekti (Human Proteome Initiative), ja vuotta myöhemmin sen kannoille kiri Yhdysvaltain syöpäinstituutin sekä elintarvike- ja lääkeviraston luoma HUPO (Human Proteome Organization).

  Proteiinit ovat elimistön rakennuspalikoita ja myös kaikkien alojen työkoneita, jotka hoitavat solun elintoiminnot ja säätelevät geenienkin toimintaa. Tätä tietoa käytetään hyväksi esimerkiksi tautien hoidossa: lääkkeet vaikuttavat yleensä juuri proteiineihin.




Näin proteiineja tutkitaan

1. Ensin proteiinit erilleen

 huimimmillaan ehkä kymme-niätuhansia. Niiden tutkimiseksi kukin pitää saada puhdistetuksi toisista eri-lleen.

Proteiinien erotteluun käytetään yleisim-min kaksisuuntaista elektroforee-sia. Siinä proteiineja liikutellaan sähkö-virralla ohuissa geelilevyissä ensin levyn leveys- ja sitten pituussuunnassa niin, että eri proteiinityypit hajaantuvat kokon-sa ja sähkövarauksensa mukaan eril-lisiksi täpliksi pitkin levyä. Täplät tulevat näkyviksi, kun proteiinit värjätään.

2. Sitten ne tunnistetaan

Kun proteiini on saatu erilleen, se tunnis-tetaan. Jos tiedetään, että kyseistä pro-teiinia vastaavan geenin dna on luettu - kuten esimerkiksi ihmisen kaikkien gee-nien - voidaan käyttää moderneinta tapaa.

Siinä proteiini pilkotaan entsyymillä paloiksi ja niitä mitataan massaspektro-metrillä. Saadaan palasten "massa-sormenjäljet", joista tietokoneohjelma päättelee, millaisista aminohappoket-juista kukin pala muodostuu. Amino-happojärjestyksestä voidaan puolestaan päätellä kyseistä ketjua koodaava dna:n emäsjärjestys. Sen perusteella tietokone hakee genomitietokannasta juuri tätä proteiinia tuottavan geenin, ja näin proteiinille saadaan identiteetti. Jos on oikein hyvä tuuri, geenin merkitys elimis-tössä on jo selvillä, jolloin proteiinin teh-tävästäkin saadaan osviittaa.

3. Proteiinin muoto selvitetään

Proteiinin kolmiulotteisen muodon selvit-tämiseen on jo viime vuosisadan puoli-välistä asti käytetty röntgenkris-tallografiaa, mutta nyttemmin on yleisty-nyt ydinmagneettispektroskopia eli NMR (nuclear magnetic resonance). NMR-menetelmien kehittäjä Kurt Wuthrich sai viime vuonna jaetun Nobelin kemian palkinnon.

Röntgenkristallografiaa varten proteiinit on kiteytettävä, mutta NMR:ssä niiden rakenne voidaan tutkia liuoksesta, jolloin niiden muoto on tarkemmin luonnon-mukainen.

Kun usean muodoiltaan samantyyppisen proteiinin eli tietyn proteiiniperheen kolmi-ulotteinen rakenne on selvitetty, tämä tieto voidaan tallentaa tietokantaan niin sanotuksi rakennetemplaatiksi. Uuden tutkittavan proteiinin aminohappojärjes-tystä voidaan verrata tällaisten ra-kennetemplaattien aminohappojärjes-tykseen, jolloin muodosta saatetaan saa-da alustava arvio. Proteiinit ovat kuitenkin niin monimuotoisia, että niiden luokit-teleminen perheisiin on melkoisen vaikeaa sekin. Siksi yksittäisanalyysejä tarvitaan edelleen.

Tätä nykyä proteiinitietopankeissa on jo eri eliöiden noin 20 000 proteiinin kolmi-ulotteinen rakenne.

4. Proteiinin tehtävä selvitetään

Proteiinin tehtäviä elimistössä selvitetään tutkimalla, miten koe-eläimiin tai solu-viljelmään vaikuttaa tätä proteiinia tuottavan geenin poistaminen tai muun-taminen.

Proteiinin toiminnan kemiallisia yksityis-kohtia tutkitaan koeputkessa käyt-tämällä puhdistettuja proteiineja ja muita molekyylejä, joiden kanssa kyseinen proteiini toimii.

5. Kohti automaatiota

Nykyisin yritetään päästä tutkimaan solun koko proteomin toimintaa kerralla proteiinisiruilla: kiinnittämällä solun eri proteiinityypit pikku täpliksi lasilevylle ja seuraamalla niiden reaktioita eri oloissa.

Seuranta voidaan aloittaa määrittämällä, mitä proteiinityyppejä solu missäkin oloissa tuottaa. Tätä koetetaan auto-matisoida kehittämällä "sirulaborato-rioita" (lab-on-a-chip). Niissä auto-maattilaitteisto erottelee soluista kerätyt proteiinit. Sitten ne voidaan siirtää automaattisesti tunnistettaviksi massa-sormenjälkien ja tietokantavertailun pe-rusteella. Koko proteomin käsittely-tekniikat ovat kuitenkin vasta tulollaan. 

Itse olen osallistunut Oulun Yliopistossa muun muassa maitohappobakteerien pintaproteiinien tutkimukseen. Pintaproteiinit ovat yleensä kiinnostavia siksi, että ne ovat tärkeässä tehtävässä solujen tarttuessa toisiinsa ja viestiessä keskenään. Maitohappobakteerien tarttuminen ja viestintä puolestaan kiinnostaa, koska monet maitohappobakteerit voivat syrjäyttää ripulibakteereita ihmisen suolen pinnalta.

Juuri tällaisista tiedonsiruista proteiinitutkimus koostuu. Koko proteomin selvitys on niin suunnaton urakka, että sirut on kerättävä vähä vähältä maailmanlaajuisesti. Siksi Suomenkin biokeskuksiin on hankittu yhä enemmän proteomiikan vaatimia laitteita.

Proteomiikan suurena haasteena on selvittää ajan mittaan solun kaikkien proteiinien kaikki vuorovaikutukset - tämän verkon voisi ehkä mutkikkuudeltaan rinnastaa Internetiin.

Proteiineja satojatuhansia

Jotta urakan valtavuudesta saisi realistisen käsityksen, yritetään arvioida, miten monenlaisia proteiineja ihmiselimistössä on.

Äkkiseltään voisi kuvitella, että riittäisi, kun laskee geenien määrän - ihmisellä noin 30 000. Geenihän toimii tuottamalla itsestään rna-kopion, jonka perusteella solun koneisto rakentaa proteiinin.

  Solussa nimittäin muokataan sekä rna:ta että valmistettua proteiinia vielä sen synnyn jälkeen.

Esimerkiksi terveen ja sairaan solun toimintaeroja ei pystytä ratkaisemaan pelkästään tutkimalla geenejä tai niiden virheitä. Genomi on sama elimistön erilaisissa solutyypeissä, mutta solutyypistä, kudostyypistä ja elimistön tilanteesta riippuu, mitkä geenit toimivat. Lisäksi geenien rna- ja proteiinituotteet muokkautuvat solussa tilanteen mukaan, joten kunkin solun proteomi muodostaa oman dynaamisen ja mutkikkaan maailmansa.

Erilaisten proteiinien määrä on siis moninkertainen geenien määrään verrattuna. Tarkkaa lukua ei vielä tiedä kukaan, mutta kyse lienee sadoistatuhansista. Itse asiassa osa tutkijoista arvioi proteiinijohdosten määrän lähes rajattomaksi ja epäilee koko proteomiikan perusajatusta: että koko proteomin määrittäminen olisi ainakin periaatteessa mahdollista. Vasta muutamia tuhansia ihmisen proteiineja tunnetaan hyvin.

Tutkimusmenetelmät hankalia

Proteomiikan haastavuutta lisää se, että proteiinimolekyylien tutkiminen on paljon työläämpää kuin esimerkiksi dna-molekyylien.

Tietynlajista proteiinia voi olla yhdessä solussa 1-100 000 000 kappaletta. Muun muassa monet tärkeät viestiproteiinit ja dna:n säätelyproteiinit esiintyvät vain muutamina kopioina. Yksittäisiä molekyylejä ei kuitenkaan voida tutkia, vaan ne pitäisi monistaa; esimerkiksi ihmisen genomia ei olisi voitu lukea ilman automaattisia pcr-laitteita, jotka monistavat tehokkaasti dna:ta. Ei ole menetelmää, jolla proteiineja voisi monistaa yhtä helposti.

Niukat proteiinit täytyy kerätä erikoismenetelmin valtavasta solumassasta, tai niitä tuottava geeni täytyy siirtää esimerkiksi bakteeriin, joka valjastetaan tuotantolaitokseksi. Molemmat tavat vaativat paljon aikaa ja rahaa.

Toinen vaikeus on siinä, että proteiinia ei voi "lukea" niin kuin dna:ta.

Dna:n toimintainformaatio on molekyylin peräkkäisten emästen muodostama lineaarinen koodi, jota voidaan symboloida peräkkäisin kirjaimin. Siksi dna:n selvitystä voi verrata tekstin lukemiseen.

Myös proteiinimolekyyli on ketju, mutta toimintainformaatio ei piile osasten lineaarisessa järjestyksessä sinänsä, vaan ketjun omaksumassa mutkikkaassa kolmiulotteisessa muodossa. Elämän kaikki toiminta perustuu siihen, että proteiinit tunnistavat toistensa ja muiden molekyylien muotoja (ks. Elämä perustuu epäsymmetriaan, Tiede 1/03, s. 48-53). Sama proteiinimolekyyli voi laskostua useaan eri muotoon, mutta vain yhtenä niistä proteiini toimii kuten pitäisi. Osa solun proteiineista onkin erikoistunut avustamaan toisia proteiineja laskostumaan oikein.

Proteiinin ketjun lenkkien eli aminohappojen järjestyksen selvittäminen on mutkikkaampaa kuin dna:n emäsjärjestyksen selvittäminen, mutta se on kuitenkin huomattavasti nopeampaa ja halvempaa kuin proteiinin kolmiulotteisen rakenteen tutkiminen. Pahaksi onneksi proteiinin muotoa ei nykytiedoin yleensä pystytä päättelemään suoraan aminohappojärjestyksestä, vaan tarvitaan mutkikkaita mittaustekniikoita, kuten röntgenkristallografiaa tai ydinmagneettispektroskopiaa.

Pullonkaula proteomin vertailu

Koko proteomin tutkimisessa ei riitä vielä sekään, että kaikkien proteiinien rakenne selvitetään, vaan pitää selvittää myös, mitkä proteiinit toimivat missäkin solutyypissä ja missä tilanteissa. Proteomiikkatutkimusten pullonkaulana onkin sellaisten tehokkaiden, halpojen, helppokäyttöisten ja luotettavien menetelmien puuttuminen, joilla voisi kerralla tutkia solun koko proteomia ja sen muutoksia.

Proteomin osasten vertailuun sopivia uusia laitteita, kuten "sirulaboratorioita" kyllä kehitellään kiivaasti. Toistaiseksi näyttää


kuitenkin siltä, ettei ainakaan lähitulevaisuudessa saada mitään yksittäistä menetelmää, joka loihtisi proteomiikasta olennaisesti helpompaa ja nopeampaa.

Heikki Keskitalo työskentelee tutkijana Oulun yliopiston Sotkamon biotekniikan laboratoriossa.

The Human Proteomics Initiative, HPI: www.expasy.org/sprot/hpi/hpi_desc.html


The Human Proteome Organization, HUPO: www.hupo.org/

Sisältö jatkuu mainoksen alla