Veritabanı, genomun gözden kaçan bölümlerinin çok sayıda küçük proteini kodladığını doğruluyor.

İnsan genomu 20 yıldan uzun bir süre önce ilk kez dizilendiğinde ortaya çıkan en büyük sürprizlerden biri, bazı bilim insanlarının tahmin ettiğinin üçte birinden daha az sayıda gen içermesiydi. Görünüşe göre 30.000'den az gen ve kodladıkları proteinler insan vücudunu inşa etmek ve çalıştırmak için yeterli; son rakamlar daha da aşağıya, yaklaşık 20.000'e indi. Ancak bazılarının “karanlık proteom” olarak adlandırdığı yeni bir sistematik analiz, bilim insanlarının genomun daha önce gözden kaçan kısımlarında gizlenen ve ortalamadan daha küçük proteinler üreten binlerce geleneksel olmayan geni gözden kaçırdığını gösteriyor.

Yeni tanımlanan genler ve ürünleri insan biyolojisinin yönlerini değiştirebilir ve tıbbi keşifleri hızlandırabilir. Örneğin, yeni keşfedilen bir gen, bir çocukluk çağı kanserinin anahtarı gibi görünen minyatür bir protein üretiyor.

Geçen ay bioRxiv'de yayınlanan bir ön baskıda açıklanan yeni araştırmada yer almayan Salk Biyolojik Çalışmalar Enstitüsü'nde kimyasal biyolog olan Alan Saghatelian, “Karanlık proteomdaki proteinlerin ne olduğunu ve nasıl katkıda bulunduklarını bilmediğimiz sürece, hastalıkları [tedavi etme] yeteneğimiz sınırlı olacaktır” diyor.

Analizin liderlerinden biri olan John Prensner, karanlık proteoma bakmaya başladı çünkü bilinen genler arasında kanserle ilgili olanları aradığı pek çok araştırmadan eli boş döndü. Şu anda Michigan Üniversitesi Tıp Fakültesi'nde pediatrik nöroonkolog olan Prensner, “Genomun geri kalanının neler sunabileceğiyle ilgilenmeye başladım,” diye hatırlıyor.

O ve meslektaşları, tipik olarak açık okuma çerçevesi (ORF) olarak bilinen uzun bir protein kodlayan DNA dizisinden oluştuğu varsayılan bir genin standart tanımını genişletti; bu, bir hücreye okumaya nereden başlayıp nerede duracağını söyleyen sinyallere sahip. Bir hücre ORF dizisini mesajcı RNA'ya dönüştürür, bu da amino asit dizilerini proteinlere birleştiren ribozom adı verilen hücresel fabrikalara gider. Tipik bir ORF'den önce, genin okunması için gereken proteinleri çeken bir DNA parçacığı da bulunur. Çoğu araştırmacı için bir ORF, 100 ya da daha fazla amino asit içeren bir protein kodladığında gen olarak nitelendiriliyordu.

Ancak mayadan yılanlara ve insanlara kadar her şeyi inceleyen biyologlar, son zamanlarda bu ön parçacıklardan yoksun ve ortalamadan daha kısa olan çok sayıda kanonik olmayan ORF'yi ortaya çıkardılar. Yine de bunlar genellikle RNA'ya kopyalanır ve ribozomal profilleme veya Ribo-Seq olarak bilinen bir yöntem, kopyalanan RNA'ların çoğunun ribozomlara bağlandığını ve burada kısa amino asit zincirlerine, hatta bir düzineden daha az animo asit içeren proteinlere çevrilebileceğini göstermiştir.

O zaman bile, birçok bilim insanı ortaya çıkan miniproteinleri önemsiz görerek, bunların hızla bozulan “gürültü” olduğunu düşündü. Toronto'daki Hospital for Sick Children'da biyokimyacı olan Ji-Young Youn, insanları bu ORF'lerin ciddi bir incelemeye değer olduğuna ikna etmenin çok zor olduğunu söylüyor.

Ancak yaklaşık 3 yıl önce Prensner ve meslektaşları, kanser hücrelerinin bu mikroproteinlerden yaklaşık 550 tanesini içerdiğini gösterdi. İki yıl önce, Oncode Enstitüsü Prenses Máxima Pediatrik Onkoloji Merkezi'nde sistem biyoloğu olan Sebastiaan van Heesch, kalp dokusunda benzer sayıda küçük proteinler buldu. Prensner, “Sebastiaan ve ben çok ama çok havalı olan bu genleri buluyorduk ve dünyanın bunları bilmesi gerektiğini düşündük” diyor.

Böylece, resmi olarak tanınan genlerin veritabanı olan GENCODE'dan gen açıklama uzmanı Jonathan Mudge ile bir araya geldiler ve sonuçta, kaç tane insan kanonik olmayan ORF'nin var olduğunu değerlendirmeye yardımcı olmak için dört kıtadaki 20 kurumdan birkaç düzine başka araştırmacıyı işe aldılar. Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'nın Avrupa Biyoinformatik Enstitüsü'nde hesaplamalı biyolog olan Fergal Martin, bunun “nispeten yeni bir alana düzen getirmek için bir tür süper konsorsiyum haline geldiğini” söylüyor.

Bu grup kendi deneylerini yapmadı, ancak önce ribozom profilleme makalelerini tarayarak başkalarının yaptıklarını inceledi. 2022 yılına gelindiğinde bilim insanları insan genomunda 7264 kanonik olmayan ORF'nin izini sürmüştü. Tüm insan proteinlerini kataloglamayı amaçlayan Human Proteome Organization ve proteinlerle ilgili kütle spektrometresi verilerini derleyen PeptideAtlas'ın yardımıyla, bu ORF'lerin protein oluşturduğunu göstermek için yola çıktılar.

Youn, bunun “büyük bir zorluk” olduğunu belirtiyor. Konsorsiyum, ORF dizileriyle eşleşen küçük proteinler için PeptideAtlas'ın kütle spektrometresi verileri arşivini taradı ve immünopeptidomik adı verilen yeni gelişen bir alan olan insan bağışıklık sistemi tarafından tespit edilen protein parçalarını kataloglayan yayınlanmış deneyleri sıraladı. Sonuçta, saydıkları 7264 kanonik olmayan ORF'nin dörtte birinin, toplamda yaklaşık 3000'inin protein oluşturduğunu doğruladılar. (Bir ORF birden fazla protein yapmak için birden fazla şekilde okunabilir).

Kendi çalışmaları mikropların karanlık proteomunu araştıran Stanford Üniversitesi genetikçisi Ami Bhatt, yeni keşfedilen miniproteinlerin “[insan] genomunun kodlama kısmının daha eksiksiz bir resmini sağlamaya yardımcı olduğunu” söylüyor.

Ayrıca bilim insanlarına üzerinde çalışabilecekleri yeni biyomedikal hedefler de sunuyorlar. Prensner ve van Heesch, karanlık proteom çalışmalarının başlarında tanımladıkları bir ORF ve miniproteini takip etmeye başlamışlardı. Gen düzenleyici CRISPR'ı kullanarak ORF'ye mutasyonlar ekleyerek, proteinin kanser hücrelerindeki önemini inceleyebildiler. Molecular Cell'de 18 Ocak'ta yayınlanan rapora göre, ORF'nin ürünü küçük olmasına rağmen, çocukları etkileyen bir beyin kanseri olan medulloblastoma tümörlerinin hayatta kalması için gereklidir.

Prensner, “Her gün bir araştırma yönü açıp ‘Hastalar için yepyeni bir ilaç hedefi sınıfına sahip olabiliriz’ diyemezsiniz” diyor. Saghatelian, bu miniproteinin insan genomunun orijinal analizinde yer almadığını, ancak “medulloblastomda kritik bir role sahip olduğunu” kabul ediyor.

Prensner ayrıca, mikroprotein hedeflerine dayalı obezite tedavileri geliştirmek için ilaç devi Pfizer ile ortaklık kuran ProFound Therapeutics adlı Massachusetts merkezli bir şirkete danışmanlık yapıyor. Ön baskının bir diğer yazarı, Irvine'deki California Üniversitesi'nde protein biyokimyacısı olan Thomas Martinez ve ekibi, pankreas kanseri ve metabolik hastalıklarda rol oynayan küçük proteinlerin peşinde. Martinez, “Beni en çok heyecanlandıran şey, mikroproteinlerin hem biyolojik belirteçler hem de ilaç hedefleri olarak terapötik çabalara dönüştürülmesi,” diyor. “Bu bariyer aşıldığında, alana olan ilginin önemli ölçüde artacağını düşünüyorum.”

Martinez karanlık proteomun ne kadarının ortaya çıkarıldığından memnun olsa da, Youn daha bulunacak çok şey olduğuna inanıyor. Ekibinin ve diğerlerinin yaptığı çalışmaların, görünmeyen bir miniprotein popülasyonu üzerinde sadece “ışık şeridi” oluşturduğunu söylüyor. Ekibi, daha küçük molekülleri tespit etmek için kütle spektrometresi tekniklerini geliştiriyor ve bunları beyin gelişiminde rol oynayan miniproteinleri bulmak için kullanmayı umuyor.

Tüm bunlar insan genlerinin çetelesini nerede bırakıyor? Karanlık proteomun toplam sayıyı artırdığı açık, ancak kimse gerçek sayıyı bilmiyor.

Martinez, “İçimden bir ses muhtemelen 100.000 kadar yüksek değildir,” diyor, “ama 50.000 olasılık dahilinde.”