A humán proteom szerkezeti tere nagy és változatos a különböző fehérjevariánsok (izoformák) jelenléte miatt, beleértve a poszttranszlációs módosításokat, splice-variánsokat, proteolitikus termékeket, genetikai variációkat és szomatikus rekombinációt. Például az emberi szervezetben egy adott időpontban több tízmillió különböző IgG-molekula található a szomatikus rekombináció és a célzott mutáció bonyolult folyamatának köszönhetően. Ezenkívül a fehérjéket kódoló gének nagy része (körülbelül 80%-a) rendelkezik splice-változatokkal, amelyek különböző méretű fehérjetermékeket eredményeznek. Hasonlóképpen, a különböző proteomikai erőfeszítések részeként több mint százezer poszttranszlációs módosításról számoltak be, és sok fehérje aktiválása pontos proteolízistől függ. Továbbá az 1000 Genom projekt eredményeként a populáció egyedei közötti körülbelül 320000 variációról számoltak be a fehérjéket kódoló régiókban. Összefoglalva, az 19670 fehérjekódoló gén emberi diverzitását óriási mértékben növeli a számos fehérjeizoforma jelenléte.”
Splice variánsok
Az alternatív splicing az izoformák kialakulásának széles körben használt mechanizmusa. E folyamat során, amely a génexpresszió során zajlik, egy gén exonjai be- vagy kizárhatók a feldolgozott mRNS-be. Az alternatív módon splicelt mRNS-ekből lefordított fehérjék ezért aminosav-szekvenciájukban eltéréseket tartalmaznak, és ezért gyakran funkcionális tulajdonságaikban is különböznek.
Az alternatív splicing négy fő altípusa:
- Az exonok kihagyása (kazettás exonok) az alternatív splicing legelterjedtebb formája. Ebben a módban az exon az elsődleges transzkriptumból a flankáló intronjaival együtt spliced ki.
- Alternatív donorhely az a típus, amikor egy exon 3′ végén két vagy több splice-helyet ismerünk fel. Ezt a módot alternatív 5′ splice site-nak is nevezik.
- Alternatív akceptor site az a típus, amikor egy exon 5′ végén két vagy több splice site-ot ismerünk fel. Ezt a módot alternatív 3′ splice site-nak is nevezik.
- Intronretenció az a mód, amikor egy intron az érett mRNS-molekulában maradhat.
1. ábra. Az alternatív splicing főbb típusai.
Sok gén kódol több fehérjeizoformát (splice-változatot) alternatív szubcelluláris elhelyezkedéssel, köztük 189 olyan gén, amelynek mind szekretált, mind membránhoz kötött izoformája van. Ezek a gének különösen érdekesek. A 2. ábrán a különböző kategóriák frakciói láthatóak mind a 19670 gén esetében.
2. ábra. Venn-diagram, amely az intracelluláris, membránokon átívelő, szekretált vagy a három kategória közül több kategóriába tartozó izoformával rendelkező gének számának átfedését mutatja.
Poszt-transzlációs módosítások
A poszt-transzlációs módosítások (PTM) olyan kémiai módosítások, amelyek kulcsszerepet játszanak egy fehérje működésében, mivel szabályozzák az aktivitást, a lokalizációt és a más sejtmolekulákkal, például fehérjékkel, nukleinsavakkal, lipidekkel és kofaktorokkal való kölcsönhatást. Lehetőségük van a sejtaktivitás szabályozására is. A PTM-ek különböző aminosav-oldalláncokon vagy peptidkötéseken fordulnak elő, és leggyakrabban enzimatikus aktivitás közvetítésével jönnek létre. A poszttranszlációs módosítás a fehérje “életciklusának” bármelyik lépésénél előfordulhat.
A PTM-ek néhány gyakori és fontos típusa:
- Glikoziláció: cukroláncok hozzáadása, akár az aszparagin oldalláncának amid-nitrogénjén (N-glikoziláció), akár a szerin vagy treonin oldalláncának hidroxil-oxigénjén (O-glikoziláció). A glikoproteinek listája hosszú, és számos különböző funkciót tölthetnek be, például az immunválaszban (immunglobulinok családja), szerkezeti molekulaként (kollagén család), hormonokként (HCG, TSH, EPO), transzportmolekulaként (transzferrin), enzimként (alkalikus foszfatáz) és receptorként.
- Foszforiláció: foszfátcsoport hozzáadása, általában tirozinhoz, szerinhez, treoninhoz, hisztidinhez vagy aszpartáthoz. Ez a módosítás reverzibilis, és például enzimeket és receptorokat aktiválhat/inaktiválhat. Klasszikus példa, ahol a foszforiláció nagyon fontos szerepet játszik, a p53 tumorszupresszor fehérje és a különböző jelútvonalakban, például a RAS útvonalban és a STAT-ban lévő fehérjék szabályozása.
- Ubiquitináció: az ubikvitin hozzáadása jelzést ad a lebontásra, megváltoztatja a sejtszintű elhelyezkedést vagy befolyásolja az aktivitást vagy a kölcsönhatásokat.
Egyéb gyakori poszttranszlációs módosítások az S-nitroziláció, metilálás, N-acetilálás, lipidálás, diszulfidkötés-képzés, szulfatálás, acilálás, deaminálás stb.
Proteolitikus módosítások
A transzlációt követően egyes fehérjék proteolitikus feldolgozáson mennek keresztül. Ez a folyamat igen specifikus, és a célfehérje egy vagy több kötésének proteázok általi hasítása következtében a fehérje aktivitása megváltozik.
A fehérjék nagy része inaktív prekurzorokként, ún. proproteinként szintetizálódik. E fehérjék aktiválásához a propeptid proteolitikus feldolgozás útján történő eltávolítására van szükség. A prekurzor fehérjék proteolízise számos sejtfolyamat szabályozását eredményezi. Jól tanulmányozott fehérjék, amelyek ezen a folyamaton mennek keresztül, az inzulin (INS) és a VIII-as faktor (F8).
Genetikai eltérések
Noha biokémiailag minden ember majdnem azonos (99,9%), a populációban az egyének között nagy eltérések vannak a fehérjéket kódoló régiókban található allélspecifikus genetikai eltérések következtében. A genetikai variációk közül sok a genom nem kódoló régióiban található, de néhány az adott gén fehérjekódoló részeiben található aminosavakat is érinti. Az 1000 Genom projekt alapján körülbelül 17800 olyan gént írtak le, amelyek genetikai variációi fehérjeizoformákat eredményeznek.
Szomatikus rekombináció
A szomatikus rekombináció a genetikai rekombináció olyan mechanizmusa, amely csak az immunglobulin és a T-sejt receptor génekre jellemző. Ebben a folyamatban nagy diverzitású immunglobulinok és T-sejt receptorok jönnek létre.
Uhlén M et al., Tissue-based map of the human proteome. Science (2015)
PubMed: 25613900 DOI: 10.1126/science.1260419