بخشی از مقاله
پروتئومیکس و کاربردهای آن در کشاورزی
چکیده
مجموعه ای از پروتئینها که در زمانی ویژه تحت یک شرایط خاص و در یک مکان زیست شناختی اعـم از سـلول، بافـت یـا ارگانیسم بیان میشوند را پروتئوم می نامند. بررسی مقایسه ای پروتئین ها به صورت جامع در یک مقیاس وسیع، موضوع علـم پروتئومیکس است. ژل الکتروفورز دو بعدی (2-DE)، که قادر است هزاران پروتئین را از هم تفکیـک کنـد، طیـف سـنجی جرمی (MS) جهت شناسایی پروتئین ها و تغییرات پس از ترجمه که بر روی آن ها صورت میگیرد. و بیوانفورماتیک اجـزای کلیدی تکنولوژی پروتئومیکس می باشند. پروتئین ها یکی از اجزاء هم مسیر های پیامرسانی و بیوشیمیایی هستند و مطالعه در سطح پروتئین ها برای آشکارسازی روند مولکولی رشد، نمو و اثر متقابل گیاه با محیط ضـرورت دارد. در سـال هـای اخیـر بـا کمک ابزار های مولکولی امکان پژوهش در سطح سلولی و مولکولی برای فهم مکانیزمها و روابط بین عوامل مختلـف دخیـل در آن ها مهیا شده است. علاوه بر بررسیهای ژنومیک که عمدتا روی اسید نوکلئیـک صـورت مـیگیـرد مطالعـه در سـطح پروتئین برای شناسایی پروتئین های دخیل در فرآیند های نموی و مکانیزم های تدافعی در برابر عوامل تنشزای محیطـی نیـز قابل توجه است. در این مقاله مروری، فناوری پروتئومیکس و کاربردهای آن در کشاورزی شرح داده خواهد شد.
کلمات کلیدی: پروتئوم، پروتئومیکس، الکتروفورز دوبعدی، طیف سنجی جرمی
مقدمه
اصطلاح پروتئوم اولین بار توسط ویلکینز1جهت توصیف کل پروتئینهایی که بهوسیله ژنوم کد میشوند، مطرح شـد. در سال های اخیر با کمک ابزار های مولکولی امکان پژوهش در سطح سلولی و مولکولی برای فهم مکانیزم هـا و روابـط بـین عوامل مختلف دخیل در آن ها مهیا شده است. علاوه بر بررسیهای ژنومیک که عمدتا روی اسـید نوکلئیکصـورت مـیگیـرد مطالعه در سطح پروتئین برای شناسایی پروتئین های دخیل در فرآیند های نموی و مکانیزم های تدافعی در برابر عوامل تـنش زای محیطی نیز قابل توجه است. مجموعه ای از پروتئین ها که در یک زمان ویژه، تحت مجموعهای از شرایط خاص در یـک مکان زیست شناختی2 اعم از سلول، بافت یا ارگان بیان می شوند را پروتئوم می نامند. از آنجایی که پروتئینها مولکـولهـای
1
کلیدی ساختاری و هماهنگی عملکرد و فعالیتهای سوخت و سازی در سیستمهای زیست شناختی هسـتند، بـرای شـناخت کامل این سیستم ها، دانستن ویژگی های مولکولی پروتئوم ضروری است 5) و .(4 سنجش مقایسه ای پروتئین هـا بـه صـورت جامع در یک مقیاس وسیع موضوع علم پروتئوم یا پروتئومیکس1 میباشد که امروزه جایگاه خاصی یافته است چـرا کـه ایـن پروتئین بیان شده توسط ژن است که در نهایت مسئول تمام فرآیندهای سلول است و پیشبینی ساختار، عمـل و فراوانـی آن از روی اطلاعات ژنوم یا ترانسکریپتوم دقت کافی را ندارد. این فناوری امکان بررسی کمی و کیفی تعـداد زیـادی پـروتئین را
ََََََََََََََََََ بیوشیمی سلول را متأثر می کنند، فراهم کرده است. بر خلاف ژنوم که ماهیتی ثابت و بدون تغییـر دارد، پروتئـوم اساسا پویا و متغیر بسته به نوع بافت، سلول، اندامک و شـرایط محیطـی در یـک جانـدار متفـاوت اسـت. بـه ایـن دلیـل در پروتئومیکس با اصطلاحاتی نظیر پروتئوم برگ، پروتئوم ریشه، پروتئوم بذر، پروتئوم هسـته، پروتئـوم میتوکنـدری و پروتئـوم غشاء ها روبه رو می شویم. از طرفی بسیاری از فعالیتهای سلول در نتیجه اثر متقابل پروتئین و پاسخ آنها به علایم داخلـی و خارجی و یا تغییرات پس از ترجمه ناش می شوند که مطالعه آن ها تنها در سـطح پـروتئین هـا امکـان پـذیر اسـت. از دیـدگاه بیوشیمیست ها پروتئومیکس، مطالعه بیش از یک پروتئین در یک زمان خاص اسـت .(21) در حقیقـت، پیشـرفت هـای اخیـر پروتئومیکس به سبب ابداع روش های نوین طیف سنجی جرمی برای یوتیزه کردن ملایم ماکرومولکول های زیسـتی، بـه ویـژه پروتئین ها، و تکمیل پروژه های توالییابی ژنومی بهدست آمده است. کنش پروتئینها، اثر متقابل با سایر پروتئینهـا و تنظـیم پیام های درون و برون سلولی تعیین می شود با کمک پروتئومیکس می توان پروتئین های جدید، آثار متقابا پروتئینBپروتئین و محل و نوع تغییرات پس از ترجمه که در ساختار پروتئین اعمال شدهاند را شناسایی کرد. در حال حاضر امکان بررسی بخـش عظیمــی از پروتئــوم در پاســخ بــه یــک تــنش محیطــی یــا تیمــار خــاص از را روشهــایی ماننــد الکتروفــورز دو بعــدی2 و اسپکتروفتومتری جرمی3 وجود دارد. با استفاده از روش 2-DE میتوان بیش از 2000 پروتئین را بهطور همزمان در یک ژل از هم تفکیک کرد .( 4)
روشهای مورد استفاده در شناسایی پروتئینها
به طور کلی، یک بررسی پروتئومیکس دارای سه مرحله اصلی جداسازی و تفکیک پروتئین ها از یک سلول، بافـت یـا ارگانیسم، به دست آوردن اطلاعات راجع به پروتئین ها برای دسترسی به اهداف و توصیف پروتئینهـا و در نهایـت اسـتفاده از بانکهای اطلاعاتی4 میباشـد(.(6ژل الکتروفـورز دوبعـدی 2-DE، طیـفسـنجی جرمـی و بیوانفورماتیـک اجـزای کلیـدی تکنولوژی می باشند 1) و.(7 در پروتئومیکسی که براساس 2-DE انجام می شود، اولین مرحله محلول کـردن پـروتئین هـای به دست آمده از نمونه ها می باشد .(1) موفقیت در انجام پروتئومیکس به دقت و کیفیت بالای نمونه ها در این مرحلـه بسـتگی دارد 2-DE روش قدرتمندی برای تفکیک سریع و همزمان محتـوی پـروتئین هـای یـک پروتئـوم مـیباشـد .(1) تفکیـک پروتئین ها توسط 2-DE با دو ویژگی مجزای آن ها صورت می گیرد. در بعد اول با استفاده از تفاوت بار الکتریکـی آنهـا بـر اساس IEF5 و در بعد دوم بر اساس جرم یا وزن مولکولی، که به طور معمول با استفاده ازSDS-PAGE6استفاده می شود، جداســازی صــورت مــیگیــرد 1) و2و 5و 6و (11 همچنــین، از آنجــا کــه تغییــرات پــس از ترجمــه در پــروتئینهــا ( ماننــد فسفوریلاسیون)، در بار و جرم مولکولی آنها تغییر ایجاد میکند، جداسازی انواع دارای این تغییرات از بقیـه نیـز امکـانپـذیر
2
می شود. بنابراین در2-DE، پروتئین ها هم از لحاظ الگوهای کمی و هم کیفی بـا هـم مقایسـه مـیشـوند .(6) آشکارسـازی پروتئین های تفکیک شده بر روی ژل با رنگ آمیزیهایی همچون نقره و غیـره صـورت مـیپـذیرد .(11) هـر چنـد 2-DE اساس بسیاری از تکنیک های پروتئومیکسی در حال حاضر است، انواعی از تکنیک های جداسازی پروتئین هـا کـه تفکیـک را بدون کمک ژل انجام میدهند مانند کروملتوگرافی مایع چند بعـدی1 و MudplT را جـایگزین آن کننـد."قابلیـت خودکـار شدن" از فوایدقابل ملاحظه این تکنیک ها محسوب می شود 8) و .(11گاهی هم جایگزینی روش های دیگر به خـاطر اتـلاف وقت کمتر آن ها است .(3) قبل از ورود به مرحله بعدی یعنی MS لازم است هر یک از پـروتئینهـای جـدا شـده از هـم بـا استفاده از عوامل شیمیایی یا پروتئاز ها که معمولا تریپسین می باشد، به پپتید شکسته شوند 7) و 2 و3و (5 سپس این پپتیدها، به کمک طیف سنجی جرمی پروتئین ها مورد مطالعه قرار گرفته و اطلاعات با ارزشی راجع بـه آنهـا بـهدسـت مـیآیـد .(3) قسمت های اصلی یک طیف سنجی جرمی، منبع یونیزاسیون2، سنجش گر3 جرم و آشکارساز4 می باشد. در منبع یونیزاسـیون از مولکول های مورد بررسی چه در فاز جامد و چه مایع، گازهای یونی تولید میشود. قسمت دوم دستگاه، نسبت جرم به بار5 این این مولکول های یوندار شده را اندازهگیری میکنند. در این قسمت، از تکنیکهای مختلفی برای بهدست آوردن ایـن نسـبت جرم به بار استفاده می شود که در آن ها امکان اندازه گیری زمان مورد نیاز برای طی کردن یک میـدان دارای بـار وجـود دارد .(9) در آشکارساز، طیف های حاصل از نسبت های مختلف جرم به بار مشاهده میشود. با مقایسه طیـفهـای حاصـل از یـک نمونه واقعی با طیف های فرضی که بر اساس توالی های پپتیدی موجود در بانک های اطلاعاتی پروتئینی، محاسـبه شـده انـد، پروتئین مورد بررسی شناسایی می شود. در حقیقت، قطعه کامل پروتئینی که شامل این توالی های جژئی باشد از مقایسه آن ها با توالی های پروتئین ها و اسید های نوکلئیک شناخته شده و موجود در بانکهای اطلاعاتی، تعیین توالی میشـود و در نهایـت پروتئین شناخته می شود 2) و .(5 جمع آوری این توالی های پروتئینی در بانکهای اطلاعاتی از سـال 1960 آغـاز شـده اسـت .(9) به کمک روش های MS پیشرفته، با تفاوت های بهدست آمده از مقایسه طیفهای حاصل از نمونههایی کـه حـدس زده میشود دارای تغییرات پس از ترجمه هستند، کاربردهای وسیع روشهـای افشـاندن الکترونـی6 وMALDI 7 کـه توانـایی یونیزه کردن بیو مولکول های بزرگ را دارند، پیشرفتهای قابل توجهی در علم پروتئومیکس ایجـاد کـرده اسـت. ادغـام ایـن روش ها با MS و نیز MS متناوب ( که شامل دو سنجشگر جرم است و باعث افزایش قـدرت سیسـتمهـای طیـفسـنجی میشود) در نهایت، میتوان یک پروتئین را در مخلوطی از دهها بلکه صدها پروتئین، دقیقا شناسایی نمود 5) و .(2
پروتئوم گیاهان تحت تنشهای شوری و خشکی
در ایران اراضی تحت تاثیر شوری در حدود % 15 تخمـین زده مـیشـود(24500 کیلـومترمربـع)کـه بیشـتر آنهـا درمناطق خشک و نیمه خشک کشور قرار دارد. بنا بر گزارشFAO خشکی بر روی حدود 35 میلیـون نفـر در سـال-2001 2000در ایران اثر گذاشته است .(9) مقابله با ایـن تـنشهـا مسـتلزم بکـارگیری راهکارهـای مختلفـی از جملـه بهبـود زیـر ساختهای، استفاده بهینه از منابع آب و خاک و اصلاح نبات نام برد. در این میـان اصـلاح گیاهـان بـرای افـزایش مقـاوت تنشها یکی از موثرترین روشهای مقابله میباشد. با این وجود، روشهای اصلاحی سنتی برای رسـیدن بـه ایـن هـدف بـا مشکلات بسیاری روبرو بوده و روند آن کند می باشد. که بخش عمده آن به پیچیدگی مکانیسمهای مقاومـت و تعـداد بسـیار
