Паршенков А.В.
Первый МГМУ им. И.М. Сеченова, Москва.
Протеомика в изучении
сахарного диабета 1 типа
В настоящее время неуклонно растет
число больных хроническими заболеваниями. В большинстве случаев это связано с
воздействием на организм человека неблагоприятных факторов окружающей среды, а
также генетической предрасположенностью к данному виду заболевания.
Одним
из таких заболеваний является сахарный диабет 1 типа, входящий в группу
аутоиммунных заболеваний. Данное заболевание характерно для людей в молодом
возрасте и при отсутствии своевременного лечения приводит к смерти. Число
больных сахарным диабетом в мире очень велико, а поскольку склонность к
сахарному диабету может передаваться по наследству, то число больных может
увеличиваться. Основную часть больных сахарным диабетом занимают больные
диабетом 2 типа, но согласно статистике прирост числа детей и подростков
больных сахарным диабетом 1 типа больше прироста среди взрослых больных
сахарным диабетом 2 типа примерно в 9 раз. И поэтому проведение исследований
патогенеза сахарного диабета 1 типа очень актуально в наше время. К тому же
сахарный диабет относится к высоко затратным заболеваниям, и разработка новых и
эффективных методов лечения и ранней диагностики заболевания позволит снизить
государству экономические затраты.[3]
К
сожалению, в настоящее время еще не разработано способа лечения сахарного
диабета 1 типа, кроме заместительной инсулинотерапии и в редких случаях
имплантации бета-клеток островков Ларгенганса,
которые через некоторое время все равно разрушаются вследствие течения
воспаления аутоиммунной природы.
Но
в будущем может быть возможен другой способ лечения данного заболевания –
предотвращение его появления у предрасположенных людей, а также лечение на
стадии доклинических изменений. Данные способы лечения будут входить в состав
так называемой превентивной медицины, когда заболевания не лечатся, а
предотвращаются на самых ранних стадиях их развития.
Появление
идеи такого вида лечения возникло в результате переосмысления патогенеза многих
заболеваний, которое появилось с развитием молекулярной биологии, которая дала
понять что первые признаки заболеваний происходят на молекулярном и клеточном
уровнях. Обнаружение этих изменений стало возможно с появлением новых дисциплин
молекулярной биологии – геномики и протеомики. И поскольку доклиническая стадия
сахарного диабета 1 типа проявляется экспрессией специфических белков, то их
обнаружение возможно благодаря протеомным исследованиям, которыми как раз и
занимается протеомика.[1,6]
Протеомика –
область науки, изучающая белки и их взаимодействия в живых организмах.
Протеомика позволяет разделить и большую часть клеточных белков. [1,6]
Сахарный 1
типа является результатом селективного разрушения инсулин-продуцирующих
бета-клеток в островках Лангерганса поджелудочной железы. СД 1 типа возникает
вследствие взаимодействия между бета-клетками, иммунной системой и
индивидуальной генетической реакцией к факторам окружающей среды. Начальные
механизмы развития СД 1 практически не известны, как и неизвестны специфические
гены или белки, являющихся основными причинами сахарного диабета. Различные
про-апоптотические цитокины, ИЛ-1-бета, в частности, обнаруживаются в островках
Лангерганса с момента разрушения бета-клеток и способны модулировать функцию
бета-клеток и индуцировать их гибель. В
бета-клетках, подвергаемых действию ИЛ-1-бета начинают происходить как
деструктивные, так и защитные процессы, из которых у восприимчивых людей
преобладают вредные процессы. Протеины вовлекаются в многие клеточные процессы
и таким образом ожидается то что их кумулятивная экспрессия отразится (станет
результатом) на специфической активности клеток. Протеомика может быть полезной
при описании экспрессии белков и следовательно диабетического фенотипа. Также
протеомные исследования были применены в исследованиях дифференцировки
бета-клеток, действии цитокинов на островки Лангерганса, действии питания на
островки и в исследованиях трансплантированных островков Лангерганса. Эти
исследования показали комплексную и детализированную картину белковой
экспрессии, что позволило ответить на многие вопросы. [2,5]
В
биологических системах, таких как клеточные линии или целые организмы,
клеточные функции выполняются посредством множества молекулярных взаимодействий
вместо единичных молекул и реакций. Клеточные функции связаны с метаболическими
путями и взаимодействиями различных компонентов клетки. Поддержание целостности
этих процессов нарушается единичными дефектами генов или в комбинации с
дефектами других генов или факторами окружающей среды. В данном случае,
протеомика является инструментом для исследований патогенеза СД 1 типа.
Большинство этих исследований проводится на клеточных линиях или моделях
животных.[4,6]
В
одном исследовании на мышах без ожирения и людях больных СД, использующем определенный
метод масс-спектрометрии (SELDI
TOF-MC), идентифицировались антитела, направленные против глиального
волокнистого белка околоостровковых Шванновских клеток, окружающих островки
Ларгенганса. Эти результаты показали, что наличие аутоантител против нервной
ткани поджелудочной железы может быть включено в патогенез сахарного диабета 1
типа. Другое исследование описало массовую экспрессию белков в целой
поджелудочной железе человека посредством двухмерного гелевого электрофореза
(2-DGE) с идентификацией 302 белков. [4,6]
Первые исследования с использованием
разделения белков двумерным электрофорезом в отношении к островкам Лангерганса,
линиям бета-клеток и СД 1 типа были выполнены в 1980-х годах. Эти исследования
описали экспрессию белков в островковых клетках мышей, с вирусиндуцируемой
гипергликемией. Другие исследователи посредством двумерного электрофореза описывали биогенез инсулин
секретирующих гранул, экзоцитоз инсулина и действие глюкозы на бета-клетки.
Кроме того, двумерный электрофорез использовался для определения аутоантигенов
и антигенных детерминант – эпитопов. [4,6]
Протеомные
исследования протеома островков Лангерганса позволяют отобразить комплексную и
детальную информацию об изменениях экспрессии белков, что в свою очередь
является фенотипом бета-клеток, опосредованным влиянием цитокинов на деструкцию
бета-клеток и островков Лангерганса in vivo и in vitro на протяжении развития сахарного диабета. (Рис.1, 2)[4]
Главной целью протеомных исследований
является идентификация и описание изменений в экспрессии белков, специфичных
для бета-клеток или белков, или белков, синтезирующихся под действием ИЛ-1β. Кроме
того, целью может быть подтверждение гипотезы о том, что в развитии деструкции
бета-клеток, могут принимать участие и сами бета-клетки. Также было
продемонстрировано действие внешнего фактора (недостаточное эмбриональное
питание или малобелковая диета) на влияние экспрессии белков при неблагоприятных условиях для бета-клеток. [4,5]
Рис.1. Полное
протеомное исследование островых клеток in
vivo и in vitro. При анализе in vitro клеточные линии островковых клеток подвергают действию ИЛ-1β на
протяжении 24 часов. Затем, выделяют белки и разделяют их посредством
двумерного электрофореза. Полученные изображения анализируют и пятна с
существенными отличиями от контроля выделяют из геля и идентифицируют
масс-спектроскопией. Другую клеточную линию исследуют in vivo с последующим иммуно-химическим анализом и
идентификацией специфических белков масс-спектрометрией.[4]
Рис. 2. Экспрессия белков в островках Лангерганса in vivo. Изучение белковой экспрессии
на протяжении развития сахарного диабета 1 типа проводилось на
трансплантационной модели развития СД 1 у склонных к заболеванию крыс.
Производилось трансплантирование островков Лангерганса новорожденных крыс под почечную капсулу 30-ти дневным крысам с
генетической предрасположенностью к заболеванию, с последующим удалением трансплантантов
в различные моменты времени после трансплантации (момент начала проявлений
диабета – приблизительно 48 день). Это позволяет проводить исследования
экспрессии белков в процессе развития диабета посредством двумерного
электрофореза. Выполнение этого совместно с иммунногистохимическим анализом
позволило обнаружить связь между белковой экспресией и деструкцией островковых
клеток, признаком чего является присутствие инсулина и Т-лимфоцитов. [4,5]
Особенности методов протеомной диагностики
является возможность детектирования и определения белковых молекул в малых
количествах, что позволяет диагностировать заболевания на доклинической стадии
и также определять предрасположенность к ним.
Протеомика помимо диагностирования заболевания
на ранних стадиях позволяет находить различные биомаркеры заболевания белковой
природы, которые в будущем могут стать мишенью для лекарств, направленных на
лечение сахарного диабета на доклинической стадии.
Литература:
1. Институт цитологии и
генетики [Электронный ресурс]. URL: http://www.bionet.nsc.ru/bioinf/files/proneomika.pdf;
2. Кравец Е.Б., Саприна Т.В., Лазаренко Ф.Э.,
Прохоренко Т.С., Рязанцева Н.В. Роль цитокинов в патогенезе аутоиммунного диабета,
вопросы иммуноинтервенции.//Бюллетень сибирской медицины.-2010-№1;
3. Сунцов Ю.И., Дедов.
И.И., Болотская Л.Л. Экономический эффект использования современных технологий
в лечении сахарного диабета.// Журнал Сахарный диабет. – 2006 - №2;
4. Thomas Sparre, Martin R. Larsen, Peter E. Heding, Allan E. Karlsen, Ole
N. Jensen, and Flemming Pociot. Unraveling the Pathogenesis of Type 1 Diabetes
with Proteomics. Present and future directions.// The American Society for
Biochemistry and Molecular Biology, Inc. – 2005;
5. Sharad Purohit and Jin-Xiong
She. Review Article: Biomarkers for Type 1 Diabetes.// Int J Clin Exp Med
(2008) 1, 98-116;
6. Jian-Ying Zhou, Geoffrey
P Dann, Chong Wee Liew, Richard D Smith, Rohit N Kulkarni, and Wei-Jun Qian,
Unraveling pancreatic islet biology by quantitative proteomics.// Expert
Rev Proteomics . 2011 August.