2. Sơ lược về PROTEOMICS Proteomics là một khái niệm đuợc dùng để chỉ các công việc nghiên cứu protein ở một hệ thống quy mô lớn, lưu ý là quy mô lớn ở đây được hiểu là gồm nhiều protein với nhau, khác với khái niệm quy mô lớn được dùng trong công nghệ sinh học hay các công nghệ sản xuất khác. Khi chức năng của protein duợc khám phá, nó sẽ giúp chúng ta hiểu rõ ràng hơn về chức năng của gen trong giai đoạn sau-giải mã bộ gene. Proteomics có thể phân chia làm 03 lĩnh vực nhỏ: 01- xác định vi đặc tính của từng protein đối với sự đồng hóa protein trong một hệ thống quy mô lớn và sự hiệu chỉnh của chúng sau phiên mã. 02- xem xét sự biểu hiện khác biệt (differential display) của các protein từ đó tìm ra các ứng dụng của chúng trong chẩn đoán và điều trị bệnh. 03- nghiên cứu sự tương tác protein-protein (protein-protein interaction) thông qua các kỹ thuật, công cụ hiện đại như mass spectrometry, hệ thống lai nấm men hai pha (yeast two-hybrid system). Truớc đây, để xác định chức năng của protein, nguời ta thuờng so sánh tính tương đồng về mặt trình tự (homology) hoặc có thể so sánh cấu trúc không gian ba chiều của một protein cần xác định với một protein khác đã biết rõ chức năng ... Tuy nhiên, các chỉ số nói trên đã không còn đuợc sử dụng trong nghiên cứu protein ngày nay, thay vào đó, nguời ta phải xác định từng thành phần của protein đó (khi protein này là một protein phức hợp); hoặc nguời ta phải xem xét cấu trúc đặc hiệu của nó khi nó định vị và có chức năng ở một tế bào, mô hay cơ quan đặc hiệu nào đó. Lĩnh vực proteomic được coi là lĩnh vực có nhiều hứa hẹn nhất trong kỷ nguyên sau giải mã bộ gene cả về quy mô nghiên cứu lẫn quy mô ứng dụng thực tiễn. 2.1. Định nghĩa Proteomics Thật ra, từ "proteomics" đã xuất hiện khá sớm khi một số nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu sự biểu hiện của một số lượng lớn các protein hiện diện trong một dòng tế bào hay một cơ quan nào đó trên cơ sở dùng phương pháp gel điện di 2 chiều bằng polyacrylcamid . Cũng có thể nói thuật ngữ proteomics đã xuất hiện khoảng sau những năm 1970, khi có nhiều nhà nghiên cứu muốn xây dựng các cơ sở dữ liệu protein bằng cách sử dụng các công cụ phân tích mới trên cái nền của phuong pháp gel polyacrylcamid hai chiều. Các kết quả ban đầu đã cho thấy nhiều sự lý thú. Tuy nhiên, ngay sau dó, các nhà nghiên cứu đã nhận thấy việc xác định protein đã gặp nhiều khó khăn do thiếu những phương pháp phân tích nhanh và nhạy hơn. Ví dụ phương pháp PCR hay phân tích trình tự DNA tự động là đại diện cho những phuong pháp phân tích nhanh và nhạy, thỏa mãn các nhu cầu của nhà nghiên cứu. Đến những năm 1990, mass spectrometry ra đời đã chứng tỏ nó thật sự là một công cự phân tích hữu hiệu và đã đẩy lùi các giới hạn nghiên cứu protein trưóc đó và. Đồng thời, sự hoàn tất của trình tự các bộ gene sinh vật đã khiến two-dimension polyacrylcamid gel và mass spectrometry tạo nên "một cặp khá đẹp đôi" đánh dấu sự bắt đầu của một kỷ nguyên nghiên cứu mới. Ngày nay, thuật ngữ proteomics còn bao trùm luôn cả việc phân tích chức năng của các sản phẩm gene, trong đó bao gồm luôn cả việc nghiên cứu sự định vị và sự đồng nhất của các protein cũng như sự tương tác của chúng (sư tương tác protein-protein thường được nghiên cứu nhờ phương pháp lai hai pha nấm men). Nói một cách khác, khái niệm proteomic còn đuợc hiểu ở một khía cạnh khác là functional genomic, tức là hệ gene mang chức năng. Với sự tích lũy một lượng dữ liệu khổng lồ về trình tự DNA của sinh vật, các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng nhận thức rằng nếu chỉ đơn thuần nắm trong tay một bộ gene đã được giải mã thì không thể nào làm sáng tỏ các cơ chế chức năng sinh học bên trong một tế bào hay cơ thể. Thật vậy, một tế bào sống phải phụ thuộc vào vô số các con đường điều hòa trao trao đổi chất và ở đây, người ta nhận thấy rằng không có một quan hệ tuyến tính chính xác nào giữa gene và protein tương ứng (gọi là proteome). Có thể xem Proteomics là phần bù, phần bổ sung cho genomics do proteiomics tập trung vào các sản phẩm của gene, và cũng chính các proteins (tức sản phẩm của gene) mới là yếu tố hoạt động chủ động trong tế bào. Vì lý do đó mà proteomics đóng góp trực tiếp lên việc khám phá và phát triển thuốc do bởi hầu hết các thuốc dùng để điều trị đều tác dụng trực tiếp lên protein. 2.2 Ý nghĩa của Proteoimic trong khoa học ngày nay Sự tồn tại của các ORF (opne reading frame - tạm dịch là khoảng đọc mở hay khoảng đọc còn bỏ ngõ) trong dữ liệu bộ gene không đơn giản ngụ ý đó là sự tồn tại của một gene mang chức năng. Bất chấp những tiến bộ của công cụ hổ trợ là bioinformatics, người ta vẫn không thể dễ dàng chỉ định một cách chính xác chức năng của một gene từ dữ liệu genome. Ở đây, một vài ý kiến đưa ra cho rằng chúng ta có thể so sánh trình tự genome của một sinh vật này với một sinh vật khác (giống sư so sánh trình tự prortein) để tìm ra chức năng của một gene dựa trên một gene đã biết. Thực nghiệm đã cho thấy, mặc dầu khuynh hướng này cũng có những thành công nhất định nhưng nhìn chung thì tỷ lệ thành công rất thấp. Đặc biệt với các trường hợp các sinh vật có bộ gene nhỏ, hoặc với các gene có độ tương đồng thấp hay thậm chí không có sự tương đồng với bất kỳ gene nào thì phương pháp so sánh sự tương đồng lại hoàn toàn không dùng được vì nó có thể sai toàn bộ. Chẳng hạn với bộ gen của Mycoplasma genitalium, tính toán gần đây cho thấy, lỗi sai phạm ít nhất là 8% trong số 340 gene đã được ghi chú (gene ghi chú được hiểu là gene đã được xác định về trình tự, vị trí nhưng về chức năng thì có thể chưa biết). Do vây, suy luận rộng ra cho trường hợp của bộ gene người thì với lỗi sai phạm đó, người ta đã có thể hình dung hậu quả như thế nào. Do vậy, việc thẩm tra các sản phẩm của gene được xem là bước đầu tiên quan trọng trong việc "ghi chú bộ gene". Ở đây nổi lên một vai trò độc đáo của các phương pháp proteomics, đó là người ta không thể "nhìn" trên trình tự DNA để phán đoán, nghiên cứu sự hiệu chỉnh protein sau phiên mã, quá trình tạo các đãng isoform của protein. Rõ ràng chỉ có các phương pháp proteomics mới cho phép nhà nghiên cứu làm được công việc này. Hơn thế nữa, điều cần thiết là người ta phải xác định mối tương quan giữa mức độ mRNA và mức độ biểu hiện protein vì giữa hai yếu tố này, có thể có mà cũng có thể không có mối tương quan nào. Một vấn đề nữa mà thông tin trình tự gene không thể nào cung cấp cho nhà nghiên cứu đó là sự định vị của sản phẩm gene (tức là vị trí mà protein sẽ thể hiện chức năng trong tế bào). Một vấn đề nữa mà thông tin trình tự gene không thể nào cung cấp cho nhà nghiên cứu đó là sự định vị của sản phẩm gene (tức là vị trí mà protein sẽ thể hiện chức năng trong tế bào). Mở rộng vấn đề, rõ ràng, các cơ chế điều hòa chức năng protein thông qua sự phân giải (proteolysis), sự tái chế (recycling) hay sự cô lập (sequestration) trong tế bào không thể được "nhìn thấy" nếu chỉ căn cứ tren thông tin của bộ gene. Cuối cùng, sự tương tác protein-protein và các thành phần cắu trúc nên tế bào (các cơ quan tử) chỉ có thể được xác định ở mức độ protein Về mặt phương pháp luận thì Proteomics dựa trên các phương pháp có hiệu suất cao để phân tách và phân tích protein trong hệ thống sống. Việc sử dụng các phương pháp này sẽ cung cấp tất cả các thông tin toàn diện về đặc tính sinh hóa của protein trong hệ thống sống như sự biểu hiện, sự hiệu chỉnh sau phiên mã, sự tương tác. Lĩnh vực Proteomics hiện đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Nó, cùng với genomics, đang nằm ở vị trí dẫu đầu trong các chương trình nghiên cứu khoa học ứng dụng, khoa học cơ bản, y-dược học và các ngành liên quan. Năm 2001, một tổ hợp quốc tế bao gồm các nhà khoa học, kinh tế, chính trị đạ hình thành Tổ chức Proteome của Người (HUPO-Human Proteome Organization). Mục đích chính của HUPO là khám phá ra tất cả các phân tử protein của người; lập bản đồ vị trí các protein trong tế bào, mô, cơ quan; xác lập tất cả các tương tác protein-protein; nâng cấp các cơ sở dữ liệu thông tin quan trọng; dò tìm các phân tử marker protein quan trọng để nhận diện bệnh. Ngược lại với HUGO (Human Genome Organization), HUPO không đưa ra thời điểm nhất định sẽ hoàn tất dự án, vì với HPG, con số nucleotide kiến tạo bộ gene người là xác định, còn con số protein người biến thiên tuỳ thuộc điều kiện sống, điều kiện bình thường hay bệnh lý. Mặc dù chúng ta vừa có các nhìn lướt qua về proteoin nhưng các câu hỏi: Proteome hay proteomics nghĩa là gì? Phương pháp luận cơ bản proteomics là gì? Thành tựu quan trọng mà ngành này sẽ mang lại cho nhân loại là gì? Các phương pháp để nghiên cứu proteomics ở hiện tại và tương lai là gì. Thật sự, không một ai trả lời được trọn vẹn các câu hỏi trên, đơn giản là vì phương pháp luận và kỹ thuật áp dụng phát triển theo từng ngày, khiến người ta kho lòng bắt kịp. Trung bình cứ hai nằm một lần, các hãng cung cấp trang thiết bị dành cho nghiên cứu proteomics phải nâng cấp lần tất cả các thế hệ máy móc mà họ hiện bán để đáp ứng nhu cầu của nhà nghiên cứu; ngược lại các nhà khoa học cũng phải thay đổi phương pháp tiếp cận, thay đổi máy móc để đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu nếu không muốn bị tụt hậu. Tuỳ thuộc mục đích nghiên cứu khác nhau là các công ty, trường, viện nghiên sẽ trang bị các dòng máy móc, trang thiết bị khác nhau (cơ bản khác nhau về giá cả, hiệu xuất, ? ). Có một điều cần chú ý là, không như những ngành nghiên cứu khác cũng hình thành và phát triển ở thời kỳ hậu genome (ví dụ transcriptome, nghiên cứa mRNA) vốn có đối tượng nghiên cứu hạn chế, proteomics ngược lại là một ngành nghiên cứu không có biên giới, không giới hạn đối tượng, hướng nghiên cứu. Theo tính toán, ước tính có khoảng 10 mũ sáu đến 5.10 mũ sáu loại phân tử protein tồn tại trong sinh giới. Do vậy, việc nhận diện tất cả các loại protein này cần một thời gian dài hơn trong tương lai. Nhưng việc nhận diện protein chỉ là một mặt của vấn đề proteomics, vì sau đó người ta phải tìm hiểu sự tương tác protein-protein; quá trình điều hòa để hình thành cấu trúc chức năng sinh học; và sự hiệu chỉnh sau phiên mã. Concay
Bác có thể giải thích rõ hơn phần tương tác protein-protein cho em được không? Phương pháp nghiên cứu như thế nào? Đặc biệt là có phương pháp nào có thể kiểm tra nhanh (quick screening) có sự tương tác giữa 2 protein bất kỳ. Em muốn ứng dụng phần này trong vấn đề protein co-precipitation. Xin cảm ơn. K. Minh
01- Khái niệm protein-protein interaction bạn có thể tìm được rất nhiều trên Internet, vào www.google.com, gõ protein-protein interaction là ok. 02- Nghiên cứu pro-pro interaction chủ yếu dùng lai nấm men hai pha (yeast two-hybrid system); cũng vậy, trên internet rất nhiều; ngoài ra còn dùng các biến thể của ELISA, dùng bioinformatics, mass spectrometry, immunoblotting... 03- Không có phương pháp nào nhanh để xác định hai protein có tương tác với nhau. Phải thực nghiệm ít nhất là vài tháng nếu lab xịn. Nhanh thì có thể dùng bioinformatic approach, nhưng phải có nghề mới làm nổi. 04- Protein co-precipitation là một kỹ thuật dùng trong nghiên cứu protein-protein interaction. Các vấn đề bạn quan tâm thuộc Modern Biology nên thông tin tren Internet khá dồi dào. Hy vọng bạn tìm được thông tin bổ ích. Concay
