Spațiul structural al proteomului uman este mare și divers datorită prezenței diferitelor variante proteice (izoforme), inclusiv a modificărilor posttraducționale, a variantelor de îmbinare, a produselor proteolitice, a variațiilor genetice și a recombinării somatice. De exemplu, există zeci de milioane de molecule IgG diferite în corpul uman la un moment dat, datorită unui proces elaborat de recombinare somatică și mutație țintită. În plus, o mare parte din genele codificatoare de proteine (aproximativ 80%) au variante de îmbinare care generează produse proteice de dimensiuni diferite. În mod similar, mai mult de sute de mii de modificări post-translaționale au fost raportate ca parte a diferitelor eforturi proteomice și multe proteine depind de o proteoliză precisă pentru activare. Mai mult, aproximativ 320000 de variații între indivizii din populație au fost raportate în regiunile de codificare a proteinelor, ca urmare a proiectului 1000 Genomes. Pe scurt, diversitatea umană a celor 19670 de gene codificatoare de proteine este crescută imens prin prezența a numeroase izoforme proteice.
Variante de splicing
Splicingul alternativ este un mecanism utilizat pe scară largă pentru formarea izoformelor. În acest proces, care are loc în timpul expresiei genice, exonii unei gene pot fi incluși sau excluși în ARNm procesat. Proteinele traduse din ARNm cu splicing alternativ vor conține, prin urmare, diferențe în secvența lor de aminoacizi și, prin urmare, acestea diferă adesea în ceea ce privește proprietățile lor funcționale.
Cele patru subtipuri majore de splicing alternativ:
- Omiterea exonilor (exoni casetă) este cea mai răspândită formă de splicing alternativ. În acest mod, exonul este splitat din transcrierea primară împreună cu intronii care îl flanchează.
- Situl donator alternativ este tipul în care două sau mai multe situsuri de splicare sunt recunoscute la capătul 3′ al unui exon. Acest mod se mai numește și site de joncțiune 5′ alternativ.
- Site acceptor alternativ este de tip atunci când două sau mai multe site-uri de joncțiune sunt recunoscute la capătul 5′ al unui exon. Acest mod se mai numește și site de racordare 3′ alternativ.
- Retenția intronului este modul în care un intron poate rămâne în molecula de ARNm matur.
Figura 1. Principalele tipuri de splicing alternativ.
Multe gene codifică pentru mai multe izoforme proteice (variante de splicing) cu localizări subcelulare alternative, inclusiv 189 de gene cu izoforme atât secretate, cât și legate de membrană. Aceste gene prezintă un interes deosebit. În figura 2, sunt prezentate fracțiunile din diferitele categorii pentru toate cele 19670 de gene.
Figura 2. Diagrama Venn care arată suprapunerea dintre numărul de gene care sunt intracelulare, cu răspândire membranară, secretate sau cu izoforme care aparțin mai mult de una dintre cele trei categorii.
Modificări posttraducționale
Modificările posttraducționale (PTM) sunt modificări chimice care joacă un rol esențial în funcția unei proteine, deoarece reglează activitatea, localizarea și interacțiunea cu alte molecule celulare, cum ar fi proteinele, acizii nucleici, lipidele și cofactorii. Acestea au, de asemenea, posibilitatea de a regla activitatea celulară. PTM-urile apar la nivelul lanțurilor laterale distincte de aminoacizi sau al legăturilor peptidice și sunt cel mai adesea mediate de activitatea enzimatică. Modificarea post-translațională poate avea loc în orice etapă a „ciclului de viață” al unei proteine.
Câteva tipuri comune și importante de PTM-uri:
- Glicozilarea: adăugarea de lanțuri de zahăr, fie la azotul amidic de pe lanțul lateral al asparaginei (N-glicozilare), fie la oxigenul hidroxilat de pe lanțul lateral al serinei sau treoninei (O-glicozilare). Lista glicoproteinelor este lungă și acestea pot îndeplini o serie de funcții diferite, de exemplu în răspunsul imunitar (familia imunoglobulinelor), ca molecule structurale (familia colagenului), hormoni (HCG, TSH, EPO), molecule de transport (transferrină), enzime (fosfatază alcalină) și receptori.
- Fosforilare: adăugarea unei grupări fosfat, de obicei la tirozină, serină, treonină, histidină sau aspartat. Această modificare este reversibilă și poate, de exemplu, să activeze/inactiveze enzimele și receptorii. Un exemplu clasic în care fosforilarea joacă un rol foarte important este în reglarea proteinei supresoare de tumori p53 și a proteinelor din diverse căi de semnal, cum ar fi calea RAS și STAT.
- Ubiquitinare: adăugarea de ubiquitină va da un semnal de degradare, va modifica localizarea celulară sau va afecta activitatea sau interacțiunile.
Alte modificări post-translaționale comune sunt S-nitrozilarea, metilarea, N-acetilarea, lipidarea, formarea de legături disulfidice, sulfatarea, acilarea, dezaminarea etc.
Modificări proteolitice
După traducere, unele proteine sunt supuse procesării proteolitice. Acest proces este extrem de specific și ca urmare a clivajului uneia sau mai multor legături din proteina țintă de către proteaze, activitatea proteinei va fi alterată.
Un număr mare de proteine sunt sintetizate ca precursori inactivi, așa numitele proproteine. Pentru a activa aceste proteine, este necesară îndepărtarea propeptidei prin procesare proteolitică. Proteoliza proteinelor precursoare va duce la reglarea multor procese celulare. Proteinele bine studiate care trec prin acest proces sunt insulina (INS) și factorul VIII (F8).
Variații genetice
Deși toți oamenii sunt aproape identici din punct de vedere biochimic (99,9%), există variații mari între indivizii din populație ca urmare a variațiilor genetice specifice alelelor în regiunile codificatoare de proteine. Multe dintre variațiile genetice se află în regiunile necodificatoare ale genomului, dar unele afectează, de asemenea, aminoacizii din părțile codificatoare de proteine ale unei anumite gene. Aproximativ 17800 de gene au fost descrise cu variații genetice care dau naștere la izoforme proteice, pe baza proiectului 1000 Genomes.
Recombinarea somatică
Recombinarea somatică este un mecanism de recombinare genetică care este unic pentru genele imunoglobulinelor și ale receptorilor celulelor T. În cadrul acestui proces se produc imunoglobuline și receptori ai celulelor T de mare diversitate.
Uhlén M et al., Tissue-based map of the human proteome. Science (2015)
PubMed: 25613900 DOI: 10.1126/science.1260419
.