Kliniczna implementacja docelowych inhibitorów kinazy tyrozynowej (TKI) zmieniła leczenie raka, dostarczając lekarzom skutecznych narzędzi do celowania w specyficzne białka, które napędzają transformację nowotworową. Związki te hamują lub blokują fosforylację białek docelowych przez kinazy tyrozynowe1,2. TKI zostały opracowane częściowo dlatego, że zmiany genetyczne w różnych kluczowych genach sygnalizacyjnych są wystarczające do napędzania inicjacji i progresji raka [np. receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR), protoonkogenu kinaza tyrozynowo-białkowa Src (SRC), BCR-ABL i receptor ludzkiego naskórkowego czynnika wzrostu 2 (HER2)]3,4. Wpływ TKI na cykl komórkowy 5 i molekularne szlaki sygnałowe6 reprezentuje transformację od leczenia raka nieukierunkowanego do molekularnie sterowanego. Kluczową zaletą TKI w porównaniu z chemioterapią jest zwiększony odsetek odpowiedzi i mniejsze ryzyko toksyczności dla zdrowych komórek7. W związku z tym coraz więcej uwagi poświęca się badaniom i rozwojowi nowatorskich TKI.
Dostęp do wyników sekwencjonowania genomu rozpoczął się od Human Genome Project8,9,10 i trwa do dziś z różnymi próbami sekwencjonowania raka nowej generacji (NextGen) [np. The Cancer Genome Atlas (TCGA)11,12]. Zainspirowało to wiele metodologii eksperymentalnych, które dostarczają jednoczesnych informacji o tysiącach genów i/lub dostarczają bezstronnych migawek genów lub białek modulowanych przez perturbacje biologiczne13. Ponieważ regulacja funkcji komórkowej zachodzi na wielu poziomach, od transkrypcji genów po potranslacyjną modyfikację białek i ich aktywności, pełne zrozumienie zdarzeń kontrolujących funkcję komórkową będzie ostatecznie wymagało integracji danych z różnych odczytów biologicznych. Możliwość monitorowania poziomów informacyjnego RNA (mRNA) tysięcy genów z rozdzielczością genów pojedynczej komórki zwiększyła zdolność do wnioskowania o funkcji genu i interakcjach w skali całego genomu. Jednak interpretacja macierzy ekspresji genów zawsze będzie z natury niekompletna bez integracji innych poziomów regulacji, a mianowicie poziomów ekspresji białek, stanów modyfikacji białek i modyfikacji potranslacyjnych białek (fosforylacja, ubikwitylacja, metylacja itp.). W tym miejscu opisujemy użyteczność macierzy przeciwciał jako środków do badania potranslacyjnych modyfikacji ważnych składników sygnalizacyjnych w funkcji różnych warunków w jednym eksperymencie14,15,16.
Matryce przeciwciał fosfologicznych mogą być używane do rozróżniania i analizowania zmian w szlakach transdukcji sygnału16. Mogą one wynikać z modyfikacji genetycznej lub leczenia linii komórkowych inhibitorami kinaz, chemioterapeutykami, stresem spowodowanym niedoborem glukozy, niedotlenieniem lub głodem surowicy. Warto zauważyć, że oporność na leki lub specyficzna regulacja w górę lub w dół genu może również powodować zmiany w szlakach transdukcji sygnału17.
Oporność na leki, na przykład, może wynikać z mutacji docelowego leku, aby uniknąć wrażliwości. W raku płuc znane mutacje EGFR sprawiają, że rak jest niewrażliwy na niektóre TKI, ale bardziej podatny na inne. Alternatywne szlaki sygnałowe mogą być aktywowane po mutacji17. Jako szersze zastosowanie do identyfikacji szlaków transdukcji sygnału zaangażowanych w oporność, niedotlenienie itp., macierze przeciwciał fosfologicznych zapewniają lepszy wgląd w zaangażowane mechanizmy, a co za tym idzie, zrozumienie ich.
Technologie, które pozwalają na ocenę modyfikacji białek, stanowią ważny składnik biologii systemów, ponieważ często pełnią funkcję regulacyjną, taką jak modulowanie aktywności enzymu lub fizycznych interakcji między białkami. Znaczenie modyfikacji potranslacyjnych ilustruje rola fosforylacji białek w prawie wszystkich szlakach transdukcji sygnału wyzwalanych przez zewnątrzkomórkowe18. Tradycyjnie, identyfikacja kinaz lub statusu fosforylacji białek może być również określona za pomocą analizy Western blot, zwłaszcza jeśli badacz jest zainteresowany tylko 1-5 celami. Jednak Western blot jest bardzo selektywny i może być stronniczy w stosunku do wcześniejszej wiedzy, w wyniku czego może przegapić ważne cele. Matryce przeciwciał zapewniają średnioprzepustowy odczyt wielu celów poprzez osadzenie różnych przeciwciał wychwytujących [swoiste dla pan-specyficznej fosforylowanej tyrozyny (tyrozyny), anty-ubikwityna itp.] na stałej matrycy (np. szkle lub nitrocelulozie). Przeciwciała drugorzędowe dostarczają informacji o specyficznych białkach w formacie ELISA opartym na kanapce ( Rysunek 1). Ten test staje się bardziej zaawansowany i trafny, im więcej celów jest przedmiotem zainteresowania lub wcześniejsza wiedza jest ograniczona15. Matryce fosfologiczne mają szersze zastosowanie, ponieważ mogą porównywać fosforylację, a także ogólne ilości białka z szerszej gamy celów w jednym eksperymencie i zapewniają znacznie lepszą kwantyfikację w porównaniu ze spektrometrią mas. Technika ta nie ma zastosowania do identyfikacji nowych lub wcześniej nieznanych miejsc fosforylacji.
Proteomika oparta na spektrometrii mas na dużą skalę może być wykorzystana do identyfikacji specyficznych miejsc fosforylacji białek19. Chociaż technika ta może wyliczyć tysiące zdarzeń potranslacyjnych, wymaga drogiego oprzyrządowania, dedykowanych potoków eksperymentalnych i wiedzy obliczeniowej, które są poza zasięgiem większości badaczy.
Matryce przeciwciał zapewniają jednoczesny odczyt na różnych odczytach białek16. Mogą to być zmiany w ubikwitylacji białek (układ ubikwityny) lub fosforylacji. Kluczową zaletą tej technologii macierzy jest to, że dostarcza ona ważnych informacji zwrotnych na temat stanu biologicznego różnych szlaków biologicznych związanych z ważnymi parametrami komórki (białko 53 kDa, p53, receptorowe kinazy tyrozynowe i szlaki wewnątrzkomórkowe) jednocześnie. Ponadto możliwe jest łączenie różnych typów macierzy w celu zwiększenia penetracji testu (np. apoptoza i ubikwityna oraz fosforylacja). Ta zdolność do łączenia wielu macierzy w celu jednoczesnej oceny różnych zmian potranslacyjnych w kilku próbkach w sposób efektywny czasowo i kosztowo, który nie wymaga specjalnego oprzyrządowania ani specjalistycznej wiedzy, ma istotną zaletę w przypadku macierzy przeciwciał.