De structurele ruimte van het menselijk proteoom is groot en divers door de aanwezigheid van diverse eiwitvarianten (isovormen), waaronder post-translationele modificaties, splice-varianten, proteolytische producten, genetische variaties en somatische recombinatie. Zo zijn er in een menselijk lichaam bijvoorbeeld tientallen miljoenen verschillende IgG-moleculen op een bepaald moment, als gevolg van een uitgebreid proces van somatische recombinatie en gerichte mutatie. Bovendien heeft een groot deel van de eiwit-coderende genen (ongeveer 80%) splice-varianten die eiwitproducten van verschillende grootte opleveren. Ook zijn er meer dan honderdduizend post-translationele modificaties gerapporteerd als onderdeel van diverse proteomics-inspanningen en zijn veel eiwitten afhankelijk van precieze proteolyse voor activering. Voorts zijn er ongeveer 320000 variaties tussen individuen in de bevolking gerapporteerd in eiwitcoderende regio’s als gevolg van het 1000-genomenproject. Samenvattend kan worden gesteld dat de menselijke diversiteit van de 19670 eiwit-coderende genen enorm wordt vergroot door de aanwezigheid van talrijke eiwit-isovormen.
Splice-varianten
Alternatieve splicing is een veel gebruikt mechanisme voor de vorming van isovormen. Bij dit proces, dat tijdens de genexpressie optreedt, kunnen de exonen van een gen in het verwerkte mRNA worden opgenomen of uitgesloten. Eiwitten die worden vertaald uit alternatief gesplicte mRNA’s zullen daarom verschillen in hun aminozuursequentie bevatten, en daardoor verschillen zij vaak in hun functionele eigenschappen.
De vier belangrijkste subtypen van alternatieve splicing:
- Exon skipping (Cassette exons) is de meest voorkomende vorm van alternatieve splicing. In deze modus wordt het exon samen met de flankerende introns uit het primaire transcript gespliced.
- Alternatieve donorplaats is het type waarbij twee of meer splitsingsplaatsen aan het 3′-uiteinde van een exon worden herkend. Deze modus wordt ook wel alternatieve 5′-splitsingsplaats genoemd.
- Alternatieve acceptorplaats is het type wanneer twee of meer splitsingsplaatsen aan het 5′-uiteinde van een exon worden herkend. Deze modus wordt ook wel Alternatieve 3′-splitsingsplaats genoemd.
- Intronretentie is de modus waarbij een intron in het rijpe mRNA-molecuul kan blijven.
Figuur 1. De belangrijkste typen alternatieve splicing.
Veel genen coderen voor meerdere eiwitisovormen (splice-varianten) met alternatieve subcellulaire locaties, waaronder 189 genen met zowel gesecreteerde als membraangebonden isovormen. Deze genen zijn van bijzonder belang. In figuur 2 zijn de fracties van de verschillende categorieën weergegeven voor alle 19670 genen.
Figuur 2. Venn-diagram dat de overlap toont tussen het aantal genen dat intracellulair, membraan-spannend, gesecreteerd is, of met isovormen die tot meer dan één van de drie categorieën behoren.
Post-translationele modificaties
Post-translationele modificaties (PTMs) zijn chemische modificaties die een sleutelrol spelen in de functie van een eiwit, omdat ze de activiteit, lokalisatie en interactie met andere cellulaire moleculen zoals eiwitten, nucleïnezuren, lipiden en cofactoren reguleren. Zij hebben ook de mogelijkheid de cellulaire activiteit te reguleren. PTM’s treden op bij afzonderlijke aminozuurzijketens of peptidebindingen en worden meestal gemedieerd door enzymatische activiteit. Post-translationele modificatie kan optreden bij elke stap in de “levenscyclus” van een eiwit.
Enkele veel voorkomende en belangrijke typen PTM’s:
- Glycosylering: toevoeging van suikerketens, hetzij aan de amidestikstof op de zijketen van asparagine (N-glycosylering) of aan de hydroxylzuurstof op de zijketen van serine of threonine (O-glycosylering). De lijst van glycoproteïnen is lang en zij kunnen een aantal verschillende functies vervullen, bijvoorbeeld in de immuunrespons (immunoglobulinen-familie), als structurele moleculen (collageen-familie), hormonen (HCG, TSH, EPO), transportmoleculen (transferrine), enzymen (alkalische fosfatase) en receptoren.
- Fosforylering: toevoeging van een fosfaatgroep, meestal aan tyrosine, serine, threonine, histidine of aspartaat. Deze modificatie is omkeerbaar en kan bijvoorbeeld enzymen en receptoren activeren/inactiveren. Een klassiek voorbeeld waarbij fosforylering een zeer belangrijke rol speelt is bij de regulatie van het tumorsuppressoreiwit p53 en eiwitten in diverse signaalpaden, zoals het RAS-pad en STAT.
- Ubiquitinatie: toevoeging van ubiquitine geeft een signaal voor afbraak, verandert de cellulaire locatie of beïnvloedt de activiteit of interacties.
Andere veel voorkomende post-translationele modificaties zijn S-nitrosylering, methylering, N-acetylering, lipidering, vorming van disulfidebindingen, sulfering, acylering, deaminering enz.
Proteolytische modificaties
Na translatie ondergaan sommige eiwitten een proteolytische bewerking. Dit proces is zeer specifiek en als gevolg van de splitsing van een of meer bindingen in het doeleiwit door proteasen, zal de activiteit van het eiwit worden veranderd.
Een groot aantal eiwitten wordt gesynthetiseerd als inactieve precursors, zogenaamde pro-eiwitten. Om deze proteïnen te activeren is verwijdering van de propeptide via proteolytische bewerking nodig. Proteolyse van de precursoreiwitten zal resulteren in regulatie van vele cellulaire processen. Goed bestudeerde eiwitten die dit proces ondergaan zijn insuline (INS) en factor VIII (F8).
Genetische variaties
Hoewel alle mensen biochemisch vrijwel identiek zijn (99,9%), zijn er grote variaties tussen individuen in de bevolking als gevolg van allel-specifieke genetische variaties in de eiwit-coderende regio’s. Veel van de genetische variaties bevinden zich in niet-coderende delen van het genoom, maar sommige beïnvloeden ook de aminozuren in de eiwitcoderende delen van een bepaald gen. Ongeveer 17800 genen zijn beschreven met genetische variaties die eiwit-isovormen opleveren, gebaseerd op het 1000 Genomes Project.
Somatische recombinatie
Somatische recombinatie is een mechanisme van genetische recombinatie dat uniek is voor de immuunglobuline- en T-celreceptorgenen. Bij dit proces worden immunoglobulinen en T-celreceptoren met een grote diversiteit geproduceerd.
Uhlén M e.a., Tissue-based map of the human proteome. Science (2015)
PubMed: 25613900 DOI: 10.1126/science.1260419