Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Палеопротеомика - относительно молодая и быстрорастущая область молекулярной науки, в которой технология секвенирования на основе протеомики используется для определения видовой идентификации и эволюционных взаимоотношений вымерших таксонов . В то время как комплементарное paleogenomics в применении, изучение древних белков имеет потенциал , чтобы раскрыть старый, более полный филогенез из - за относительную стабильность аминокислот в белках по сравнению с нуклеиновыми кислотами в ДНК . [1] Древний белокисследования могут дополнительно выявить виды и источники восстановленных тканей , [2] , а также стадию развития окаменели образцы. [3] Палеопротеомика также может быть распространена на археологические материалы, такие как ткани, шкуры животных, остатки пищи и керамику.

Фон [ править ]

Филип Абельсон впервые охарактеризовал находки древних аминокислотных остатков из окаменелых материалов в 1955 году, предположив, что пептидные связи белков могут сохраняться в течение миллионов лет. [4] Эти первоначальные открытия были ограничены доступными методологиями, поэтому секвенирование белков оставалось труднодостижимой идеей в течение почти четырех десятилетий. В 2000 году масс-спектрометрия ( МС ) выявила присутствие остеокальцина в образцах древних костей [5] и возродила интерес к потенциалу белка как инструмента молекулярной палеонотологии . [6]

Разработка инструментов с более высоким разрешением еще больше повысила эффективность и глубину извлечения древних белков . В 2012 году первая расширенная ископаемое кости протеом из плейстоцена мамонта бедренная уверенно извлечены и идентифицированы, [7] укрепление будущего paleoproteomics исследований.

Палеопротеомы [ править ]

Коллаген I типа [ править ]

Анализ древних костных протеомов был в основном сосредоточен на выявлении коллагена типа I ( COL1 ), доминирующий белок , обнаруженном в минерализованных тканях [1] , [8] , . [9] Коллаген высоко консервативен у всех видов [10] и составляет около 90% органических соединений костей. Фибриллярные коллагенов, из которых COL1 классифицируется, как полагают, произошли от общего многоклеточных предка, [11] , таким образом , способствуя их численности и значимости в окаменелостях.  

Коллаген также было установлено , чтобы выжить намного дольше , чем другие не-коллагеновых белков в образцах окаменели, [12] , а белок остается неповрежденным за деградации древней ДНК ( Адна ) [1] , . [9] Его плотно скрученная тройная спиральная структура (состоящая из двух генетически идентичных цепей альфа-1 и третьей генетически отличной цепи альфа-2) [10] и гидрофобный состав [1] также делают этот белок отличным кандидатом на выживание, даже в умеренном и влажном климате, который способствует быстрому разрушению органических молекул . [10]

Таксономическое разрешение коллагена было тщательно исследовано, и известно , что аминокислотные замены могут быть разрешены к роду уровне в большинстве средних и крупных млекопитающих . [1] Идентификация на уровне видов также возможна, даже в останках мелких млекопитающих из жаркого климата. [13] Именно по этим причинам COL1 остается ключевым белком в палеопротеомике и филогенетических исследованиях.

Неколлагеновые белки [ править ]

Остальные 10% органических молекул костной ткани - это неколлагеновые белки (NCP). Самый распространенный NCP, остеокальцин , представляет собой белок кости и дентина, участвующий в сборке кости, часто используемый в качестве маркера процесса формирования кости. Сохраненный остеокальцин был впервые обнаружен с помощью масс-спектрометрии ( MALDI-MS ) в кости бизона возрастом 10 000 лет и кости моржа возрастом 53 000 лет [5], что выявило потенциал филогенетической реконструкции за временными пределами аДНК .

Более продвинутые протеомные методы позволили исследовать дополнительные NCP, присутствующие во внеклеточном матриксе кости . Хотя типа я коллаген является самыми длинными сроком белок , определяемыми в окаменели образцы костей, идентификация и последовательность НКТА могут позволить большее таксономическому разрешение , чем коллаген на основе методов [8] , . [12]

Другие белки [ править ]

Протеомный анализ также применялся к другим ископаемым и древним материалам. Изучение поврежденных артефактов посредством секвенирования их кератиновых пептидов [14] позволило исследователям различать роговые и копытные останки важных видов, используемых на археологических раскопках. Кератином текстильных изделий и шкур животных , которые носили Отзи , в Iceman, также были идентифицированы с использованием пептида массовой дактилоскопии (PMF) от древних образцов и от эталонных видов. [15] Белки иммунного ответа выявили наличие инфекций и заболеваний в многочисленных исследованиях мумифицированных человеческих останков. [8]Кроме того, идентификация яичных белков, казеинов , глобулинов сыворотки и других белковых материалов, используемых в качестве связующих веществ в красках исторических произведений искусства, позволила лучше понять правильные методы консервации. [8]

Методы секвенирования [ править ]

Анализ ископаемого образца начинается с деминерализации минеральной матрицы кости / зуба. Трипсин обычно используется для переваривания белковых остатков в пептиды, которые затем могут быть очищены и проанализированы. [9]

Массовая дактилоскопия пептидов [ править ]

Массовый фингерпринт пептидов (PMF) - это аналитический метод, который можно применять к смеси переваренных белков. Массы неизвестных пептидов могут быть обнаружены с помощью масс-спектрометра, такого как MALDI ( матричная лазерная десорбция / ионизация ) или ESI ( ионизация электрораспылением ), в сочетании с масс-анализатором [1], а затем сравниваться с массами пептидов , которые прогнозируются. происходить из известных белков. [9]  

Жидкостная хроматография-тандемная масс-спектрометрия [ править ]

Включение растворителей для жидкостной хроматографии (ЖХ) может усилить ионизацию пептидов электрораспылением . [9] В сочетании с масс-спектрометрией это позволяет анализировать гораздо большее количество пептидных ионов с улучшенными спектрами фрагментов. [1] Жидкостная хроматография-масс-спектрометрия. ЖХ-МС может быть проведена для массового снятия отпечатков пептидов; однако тандемная жидкостная хроматография-масс-спектрометрия ( ЖХ-МС / МС ) чаще всего используется в случае анализа древних протеомов из-за природы этих сложных образцов.

Последовательность de novo [ править ]

В настоящее время базы данных белков ограничены конкретными таксонами, поэтому новые последовательности белков, которые сильно отличаются от имеющихся, не будут идентифицированы с помощью поисковых машин. [1] Ручная интерпретация посредством секвенирования de novo остается жизнеспособным решением до тех пор, пока эти базы данных не станут более надежными, и этот метод позволит идентифицировать аминокислотные замены, о которых ранее не сообщалось. [16]

Гибридное решение устойчивых к ошибкам алгоритмов поиска, использующих базы данных последовательностей белков и допускающих замену аминокислот, может аналогичным образом позволить идентифицировать новые полиморфизмы одной аминокислоты (SAP). [9]

Проблемы [ править ]

Коллаген динозавров [ править ]

Палеонтологическое исследование 2007 года сообщило о предполагаемом открытии эндогенных пептидов коллагена в окаменелостях Tyrannosaurus rex размером 68 млн лет . [17] Это утверждение предполагало выживание сверх экспериментальных скоростей распада [6], что привело к противоречиям в новой области. Та же команда снова сообщила о том, что в 2009 году обнаружила сходные совпадения последовательностей коллагеновых пептидов в окаменелостях гадрозавров 80 млн лет, принадлежащих к Brachylophosaurus canadensis . [18]

Последующие исследования повторно проанализировали исходные данные о последовательности T. rex , чтобы сделать вывод, что в образце преобладали лабораторные загрязнители, почвенные бактерии и птицеподобный гемоглобин и коллаген ; [19] бывший белок , как правило , можно увидеть только в относительно недавних образцов [7] , . [12] Другой исключительно сохранившийся гадрозавр из формации Хелл-Крик (США) не дал ни одного из предыдущих результатов, несмотря на обширные испытания, и было обнаружено только присутствие продуктов распада белка [20]

Дальнейшие эксперименты показали, что нельзя исключать заражение от других экземпляров, присутствующих в лаборатории T. rex . Каждый пептид, который считался уникальным для обоих динозавров в исследовании 2009 года, можно было сопоставить с современным страусом с гораздо большей уверенностью, чем можно было бы провести самостоятельно, уникальной идентификацией [21].

Хотя было описано несколько методов для подтверждения подлинности палеопротеомики, включая данные об иммунологическом или аминокислотном составе и рацемизации , оба этих подхода имеют ограничения и, как известно, дают ложноположительные реакции в окаменелостях. [22] Следует проявлять большую осторожность, чтобы исключить заражение, определяя, отличаются ли последовательности от последовательностей всех существующих таксонов, присутствующих в лабораторных условиях. [21] Деамидирование также было предложено в качестве эффективного метода различения эндогенных и контаминирующих NCP, когда протоколы экстракции могут разрешить эту оценку [9]

Перспективы на будущее [ править ]

Палеопротеомика - все еще молодая область, самые сложные протеомы были открыты только в последнее десятилетие. Современные протеомные методы сильно страдают от того факта, что это не настоящая форма секвенирования, основанного на сопоставлении вероятностей с ожидаемыми результатами. Хотя для повышения надежности восстанавливаемых данных используются несколько методов МС , эти методы также повышают чувствительность к загрязнению. [1]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i Бакли, Майкл (2019), Линдквист, Шарлотта; Раджора, Ом П. (ред.), «Палеопротеомика: Введение в анализ древних белков с помощью масс-спектрометрии с мягкой ионизацией» , Палеогеномика: анализ древней ДНК в масштабе генома , популяционная геномика, Cham: Springer International Publishing, стр. 31 -52, DOI : 10.1007 / 13836_2018_50 , ISBN 978-3-030-04753-5, получено 2021-03-20
  2. ^ Бакли, Майкл; Harvey, Virginia L .; Чемберлен, Эндрю Т. (июль 2017 г.). «Идентификация видов и оценка распада фрагментарных останков позвоночных в позднем плейстоцене из пещеры Пин-Хоул (Кресвелл-Крэгс, Великобритания) с использованием отпечатков пальцев коллагена» . Борей . 46 (3): 402–411. DOI : 10.1111 / bor.12225 .
  3. ^ Савафудзи, Рикай; Каппеллини, Энрико; Нагаока, Томохито; Фотакис, Анна К .; Джерси-Кристенсен, Роза Раковников; Olsen, Jesper V .; Хирата, Казуаки; Уэда, Синтарох (июнь 2017 г.). «Протеомное профилирование археологической кости человека» . Королевское общество «Открытая наука» . 4 (6): 161004. Bibcode : 2017RSOS .... 461004S . DOI : 10,1098 / rsos.161004 . ISSN 2054-5703 . PMC 5493901 . PMID 28680659 .   
  4. ^ Абельсон, Филипп (1955). «Палеобиохимия: органические составляющие окаменелостей». Ежегодник . 54 : 107–109 - через Вашингтонский институт Карнеги.
  5. ^ а б Остром, Пегги Х; Шалл, Майкл; Ганди, Хасанд; Шен, Тун-Ли; Хаушка, Петр V; Strahler, Джон Р.; Гейдж, Дуглас А. (март 2000 г.). «Новые стратегии для характеристики древних белков с использованием матричной масс-спектрометрии с лазерной десорбцией и ионизацией» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 64 (6): 1043–1050. Bibcode : 2000GeCoA..64.1043O . DOI : 10.1016 / S0016-7037 (99) 00381-6 .
  6. ^ a b Нильсен-Марш, Кристина (01.06.2002). «Биомолекулы в ископаемых останках: мультидисциплинарный подход к выносливости» . Биохимик . 24 (3): 12–14. DOI : 10.1042 / bio02403012 . ISSN 0954-982X . 
  7. ^ а б Каппеллини, Энрико; Дженсен, Ларс Дж .; Шкларчик, Дамиан; Ginolhac, Aurélien; да Фонсека, Руте Арканзас; Стаффорд, Томас У .; Холен, Стивен Р .; Коллинз, Мэтью Дж .; Орландо, Людовик; Виллерслев, Эске; Гилберт, М. Томас П. (2011-12-14). «Протеомный анализ бедренной кости мамонта плейстоцена выявил более ста древних костных белков» . Журнал протеомных исследований . 11 (2): 917–926. DOI : 10.1021 / pr200721u . ISSN 1535-3893 . PMID 22103443 .  
  8. ^ a b c d Джуффрида, Мария Габриэлла; Маццоли, Роберто; Пессионе, Энрика (2018-05-08). «Назад в прошлое: расшифровка секретов культурного наследия с помощью идентификации белков» . Прикладная микробиология и биотехнология . 102 (13): 5445–5455. DOI : 10.1007 / s00253-018-8963-Z . hdl : 2318/1670455 . ISSN 0175-7598 . PMID 29737392 . S2CID 13691178 .   
  9. ^ Б с д е е г Cappellini, Enrico; Прохаска, Ана; Расимо, Фернандо; Велкер, Фридо; Педерсен, Миккель Винтер; Аллентофт, Мортен Э .; де Баррос Дамгаард, Питер; Гутенбруннер, Петра; Данн, Джули; Хамманн, Саймон; Роффе-Сальке, Мелани (20.06.2018). «Древние биомолекулы и эволюционный вывод» . Ежегодный обзор биохимии . 87 (1): 1029–1060. DOI : 10.1146 / annurev-biochem-062917-012002 . ISSN 0066-4154 . PMID 29709200 .  
  10. ^ a b c Бакли, Майкл (07.05.2015). «Древний коллаген показывает эволюционную историю эндемичных„копытных южноамериканского “ » . Труды Королевского общества B: биологические науки . 282 (1806): 20142671. DOI : 10.1098 / rspb.2014.2671 . ISSN 0962-8452 . PMC 4426609 . PMID 25833851 .   
  11. ^ Родригес-Паскуаль, Фернандо; Слэттер, Дэвид Энтони (декабрь 2016 г.). «Сшивание коллагена: понимание эволюции внеклеточного матрикса многоклеточных животных» . Научные отчеты . 6 (1): 37374. Bibcode : 2016NatSR ... 637374R . DOI : 10.1038 / srep37374 . ISSN 2045-2322 . PMC 5120351 . PMID 27876853 .   
  12. ^ a b c Уодсворт, Кэролайн; Бакли, Майк (30 марта 2014 г.). «Деградация протеома в окаменелостях: исследование продолжительности жизни белка в древних костях: деградация протеома в окаменелостях» . Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии . 28 (6): 605–615. DOI : 10.1002 / rcm.6821 . PMC 4282581 . PMID 24519823 .  
  13. ^ Бакли, Майкл; Харви, Вирджиния L; Ориуэла, Йохансет; Mychajliw, Alexis M; Китинг, Джозеф Н; Милан, Хуан Н. Альмонте; Лоулесс, Крейг; Чемберлен, Эндрю Т; Эгертон, Виктория М; Мэннинг, Филипп Л. (2020-10-01). Тилинг, Эмма (ред.). "Анализ последовательности коллагена показывает эволюционную историю вымерших Вест-Индских несофонтов (островных землероек)" . Молекулярная биология и эволюция . 37 (10): 2931–2943. DOI : 10.1093 / molbev / msaa137 . ISSN 0737-4038 . PMC 7530613 . PMID 32497204 .   
  14. ^ Солаццо, Кэролайн; Уодсли, Марк; Дайер, Джолон М .; Клеренс, Стефан; Коллинз, Мэтью Дж .; Пахарь, Джеффри (2013-12-15). «Характеристика новых пептидных маркеров α-кератина для идентификации видов в кератиновых тканях с использованием масс-спектрометрии: Новые маркеры пептидов α-кератина для идентификации видов» . Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии . 27 (23): 2685–2698. DOI : 10.1002 / rcm.6730 . PMID 24591030 . 
  15. ^ Холлемейер, Клаус; Альтмейер, Вольфганг; Хайнцле, Эльмар; Питра, Кристиан (30 сентября 2008 г.). «Идентификация видов одежды Oetzi с помощью матричной лазерной десорбции / ионизационной времяпролетной масс-спектрометрии на основе сходства пептидных структур перевариваемых волос» . Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии . 22 (18): 2751–2767. Bibcode : 2008RCMS ... 22.2751H . DOI : 10.1002 / rcm.3679 . PMID 18720427 . 
  16. ^ Cappellini, E .; Коллинз, MJ; Гилберт, MTP (2014-03-20). «Открытие древних белковых палимпсестов» . Наука . 343 (6177): 1320–1322. Bibcode : 2014Sci ... 343.1320C . DOI : 10.1126 / science.1249274 . ISSN 0036-8075 . S2CID 32042460 .  
  17. ^ Швейцер, MH; Suo, Z .; Avci, R .; Асара, JM; Аллен, Массачусетс; Arce, FT; Хорнер, младший (13 апреля 2007 г.). «Анализы мягких тканей тираннозавра рекс предполагают наличие белка» . Наука . 316 (5822): 277–280. Bibcode : 2007Sci ... 316..277S . DOI : 10.1126 / science.1138709 . ISSN 0036-8075 . PMID 17431179 . S2CID 42153727 .   
  18. ^ Швейцер, MH; Zheng, W .; Орган, CL; Avci, R .; Suo, Z .; Freimark, LM; Лебле, VS; Дункан, МБ; Vander Heiden, MG; Neveu, JM; Лейн, штат Вашингтон (30 апреля 2009 г.). «Биомолекулярная характеристика и белковые последовательности кампанского хадрозавра B. canadensis» . Наука . 324 (5927): 626–631. Bibcode : 2009Sci ... 324..626S . DOI : 10.1126 / science.1165069 . ISSN 0036-8075 . PMID 19407199 . S2CID 5358680 .   
  19. ^ Берн, Маршалл; Phinney, Brett S .; Голдберг, Дэвид (2009-09-04). "Повторный анализ масс-спектров тираннозавра рекс" . Журнал протеомных исследований . 8 (9): 4328–4332. DOI : 10.1021 / pr900349r . ISSN 1535-3893 . PMC 2738754 . PMID 19603827 .   
  20. ^ Мэннинг, Филип Л .; Моррис, Питер М .; МакМахон, Адам; Джонс, Эмрис; Гизе, Энди; Маккуакер, Джо Х.С. Вольф, Джордж; Томпсон, Ану; Маршалл, Джим; Тейлор, Кевин Дж .; Лайсон, Тайлер (2007-10-07). «Минерализованная структура мягких тканей и химический состав мумифицированного гадрозавра из формации Хелл-Крик, Северная Дакота (США)» . Труды Королевского общества B: биологические науки . 276 (1672): 3429–3437. DOI : 10.1098 / rspb.2009.0812 . ISSN 0962-8452 . PMC 2817188 . PMID 19570788 .   
  21. ^ a b Бакли, Майкл; Уорвуд, Стейси; ван Донген, Барт; Китченер, Эндрю С .; Мэннинг, Филипп Л. (31 мая 2017 г.). «Химера ископаемого белка; трудности в различении пептидных последовательностей динозавров от современного перекрестного заражения» . Труды Королевского общества B: биологические науки . 284 (1855): 20170544. DOI : 10.1098 / rspb.2017.0544 . ISSN 0962-8452 . PMC 5454271 . PMID 28566488 .   
  22. ^ Лендаро, Эухенио; Ипполити, Родольфо; Беллелли, Андреа; Брунори, Маурицио; Зито, Романо; Ситро, Дженнаро; Асченци, Антонио (ноябрь 1991 г.). «К проблеме иммунологического обнаружения антигенов в останках скелета» . Американский журнал физической антропологии . 86 (3): 429–432. DOI : 10.1002 / ajpa.1330860308 . ISSN 0002-9483 . PMID 1746647 .