Biyokimya/Sistemler Biyolojisi

Genel bakış

Sistem biyolojisi ağ biyolojisi veya entegre biyoloji, biyomedikal ve biyolojik bilimsel araştırmalara uygulanan yeni bir yaklaşımdır. Sistem biyolojisi, biyolojik ve biyomedikal araştırmalara daha geniş bir perspektif (daha geleneksel indirgemecilik yerine bütüncülük) yaklaşımı kullanarak, biyolojik sistemler içindeki karmaşık etkileşimlere odaklanan, biyoloji temelli disiplinlerarası bir çalışma alanıdır. Bu yaklaşıma göre, gen (veya ilgilenilen herhangi bir molekül) ve onun ürünü (veya kofaktörler, haberci moleküller ve metabolitler gibi daha küçük moleküller) “düğümler” olarak görülmektedir. Düğümler arasındaki bağlantı, fiziksel bir etkileşim, enzimatik reaksiyon veya fonksiyonel bir bağlantı olabilen bir ilişkiyi temsil eder. Bu sistem hem iç hem de dış kaynaklı bozulmaların fenotipi etkilediğini varsaymaktadır. Kütle spektrometresi (MS), protein etkileşimli ağlar gibi ağ kablolamasını tanımlamak için kullanılır. Özellikle 2000 yılından bu yana, bu yaklaşım konsept biyoloji bilimlerinde çeşitli bağlamlarda yaygın olarak kullanılmıştır. Sistem biyolojisinin yayılma hedeflerinden biri, ortaya çıkan özellikleri, hücrelerin özelliklerini, doku ve sistemlerin, teorik tanımlaması ancak sistem biyolojisi kapsamına giren teknikleri kullanarak mümkün olan, bir sistem olarak işleyen organizmalarını modellemek ve keşfetmektir. Bunlar tipik olarak metabolik ağları veya hücre sinyal ağlarını içerir. Sistem Biyolojisinin bazı önemli çıkarımları vardır: 1) biyolojik süreçlere bir bütün olarak bakılmasını gerektirir; 2) yeni fırsatlar sunar ve ileri hesaplamalı ve deneysel yaklaşımlar için teknolojiye bağlıdır.

Eski vs Yeni

Geçmişte, araştırmalar tipik olarak “moleküler biyoloji paradigması” olarak adlandırılan “bir gen-bir protein-bir fonksiyon” standardı içerisinde gerçekleştirilmiştir. 1) gen ve protein fonksiyonu arasında doğrudan bir bağ olduğunu ve genlerin ve bunların çeviri ürünlerinin biyolojik işlevi açıkladığını varsaymış bir zihniyettir 2) proteinlerin ayrı ayrı ve lineer bir formda (aşağı ve yukarı yönde) incelenir. Her ne kadar güçlü teknolojiler ve dikkat çekici teknik gelişmeler yapılmış olsa da, bir genotip-fenotip bağlantısı hala bir sorun olmaya devam ediyor

Kütle Spektrometresi Uygulaması

Proteomik çalışmaları için 'Kütle spektrometresi (mass spectrometry-MS'') kullanılır. Her bir biyolojik ihtiyacı ele almak için çeşitli stratejiler sunuldu; buradaki her bir strateji “toplam proteome alanının” sadece bir kısmıdır. Stratejiler:

• Shotgun / Keşif: bir örnekteki çok sayıda proteini tanımlayabilir, ancak en çok yalnızca en bol olanı saptayabilir
• Yönlendirilmiş: spesifik, önceden belirlenmiş protein setlerini tanımlar, tekrar edilebilirliği yüksektir
• Hedeflenen: yüksek tekrarlanabilirlik ve proteinlerin küçük, önceden seçilmiş bir kısmı için kesin, yüksek algılama hassasiyeti ve dinamik aralık sunar
• Veriye bağlı analiz (Data dependent analysis-DDA): yeni ortaya çıkmıştır, numunedeki tüm proteinleri tanımlamayı hedefler

Moleküllerin nicelendirilmesi ve tanımlanması için kullanılan teknolojilere ağların kenarlarının nicelendirilmesi ve tanımlanması ihtiyaç duyulmaktadır. Bu iki yolla hedeflenir: 1)doğrudan yaklaşım: kenarın, düğümün etkileştiği bir molekülü yüksek afinitesi ile yakalayarak ölçülmesi 2)dolaylı yaklaşım: molekül ve düğüm arasındaki bağı bir tahlil kullanarak anlamaya çalışan yaklaşım.

Ağlar

MS-tabanlı proteomiklerde iki tür ağ ayırt edilir: yönlendirilmemiş ağlar olan protein etkileşimli ağlar (protein interaction networks-PIN), yön tercihi yoktur ve protein sinyalleşme ağları (protein signaling networks-PSN), bunlar yönlendirilmiş ağlardır ve tercih edilen bir yöne sahiptir. PIN'ler, MS tabanlı temel proteomik ilgi alanlarından, protein-protein etkileşim ağlarından (protein-protein interaction networks-PPIN) ile örneklenebilir, çünkü bu ağlardaki düğümler ve kenarlar arasındaki doğrudan bağlantılar ölçülebilir. Bu tür ağları incelemek için, hedef proteinler ile etkileşen proteinleri yakalamak için hedef protein “yem molekülü” olarak kullanılır, yakalanan moleküller MS' te incelenir. PPIN'leri analiz etmek için, afinite saflaştırma kütle spektrometresi (affinity purification mass spectrometry/AP-MS) tercih edilir, çünkü PPIN'lerin çok yönlülük karmaşıklığını yansıtır. Daha sonra AP-MS verileri, iki veya daha fazla işlenmiş düğümün kenarlara bağlandığı, bir ağ oluşturduğu ve protein sinyalizasyon ağları (protein-signaling networks-PSN) çıkardığı yerde yorumlanır.

Pertürbasyon deneyleri, ücrede aktivasyon veya represyon gibi bir enzim aktivitesini değiştirmenin etkilerini görmek için yapılır. In vitro deneylerle karşılaştırma yeniden bağlanma ağına yeni bakış açıları kazandırabilir. İki tür Pertürbasyon vardır: çoğunlukla kenarları etkileyenler ve sonuç olarak kenarlarını etkileyen düğümleri etkileyenler. Fosforilasyon ağları bu deneyler ile yoğun bir şekilde çalışılmıştır, burada fosfateptidlerin bir kinaz inhibitörü ile negatif düzenlenmesi, ağın kinaza bağımlı olup olmadığını, ancak belki de kinazın aracılık ettiği sorusunu ortaya çıkarmaktadır.

Amaç, bir fenotip üretmek için ağların bu bilgiyi nasıl yakaladığını ve aldığını veya hücresel bir tepkiye neden olduğunu bilmektir. Ağ kablolarının fenotiplere bağlanması, statik PPIN'lerin birleştirilmesiyle yapılır.

Genel Yol Haritası

1) Önceki çalışmalardan başlatılan düğüm ağını tanımlanır. 2) Ağ bileşenleri dağıtılır ve deneysel verileri sunulur 3) Ağ modelini, ağdaki deneysel verileri ve fenotipleri geliştirmek için eldeki bilgiler kullanılır

Kaynakça

Bu Z, Callaway DJ (2011). "Proteins MOVE! Protein dynamics and long-range allostery in cell signaling". Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. Advances in Protein Chemistry and Structural Biology 83: 163–221

Bensimon A, Heck AJ, Aebersold R. Mass spectrometry-based proteomics and network biology. Annu Rev Biochem. 2012;81:379-405. Review. PubMed PMID 22439968.