Автореферат и диссертация по медицине (14.03.08) на тему:Особенности протеома мочи здорового человека при влиянии факторов космического полета

ДИССЕРТАЦИЯ
Особенности протеома мочи здорового человека при влиянии факторов космического полета - диссертация, тема по медицине
АВТОРЕФЕРАТ
Особенности протеома мочи здорового человека при влиянии факторов космического полета - тема автореферата по медицине
Образцова, Ольга Анатольевна Москва 2013 г.
Ученая степень
кандидата биологических наук
ВАК РФ
14.03.08
 
 

Автореферат диссертации по медицине на тему Особенности протеома мочи здорового человека при влиянии факторов космического полета

На правах рукописи

ОБРАЗЦОВА ОЛЬГА АНАТОЛЬЕВНА

ОСОБЕННОСТИ ПРОТЕОМА МОЧН ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА ПРИ ВЛИЯНИИ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА

14.03.08 - авиационная, космическая и морская медицина 03.01.03 - молекулярная биология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

О 5 СЕН 2013

Москва-2013

005532575

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук, Федеральном государственном бюджетном Учреждении науки Институте биохимической физики им. Н. М. Эмануэля (ИБХФ РАН).

Научные руководители:

доктор медицинских наук, профессор Ларина Ирина Михайловна

доктор физико-математических наук,

профессор Николаев Евгений Николаевич

Воронков Юрий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор, заведующий отделом клннико-

физиодотических исследований и экспертизы Федерального государственного бюджетного учреждения науки

Государственного научного центра Российской Федерации - Института медико-биологических проблем Российской академии наук

доктор биологических наук, заведующий отделом персонализированной медицины Федерального Государственного

Бюджетного Учреждения «Научно-исследовательский институт

биомедицинской химии им. В.И. Ореховича» Российской Академии Медицинский Наук

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт биохимии имени А.Н. Баха»

Мошковский Сергей Александрович

Защита диссертации состоится «__»

2013 г. в

часов на

заседании диссертационного совета Д 002.111.01, созданного на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Государственного научного центра Российской Федерации - Института медико-биологических проблем Российской академии наук по адресу: 123007, г. Москва, Хорошевское шоссе д.76а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Государственного научного центра Российской Федерации - Института медико-биологических проблем Российской академии наук по адресу (123007, г. Москва, Хорошевское шоссе д.76а).

М» &1>щт>1

Автореферат разослан <і

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

2013 г.

М.А. Ленинских

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Протеомика, как одно из направлений системной биологии, активно развивается во многих странах мира и занимает ведущие позиции в научных программах современной прикладной и фундаментальной медицины, физиологии, а также фармакологии. Практическая значимость протеомных исследований определяется возможностью применения новейших технологических платформ и биоинформационных подходов в диагностике различных заболеваний, выяснении закономерностей функционирования клеток и открытием новых молекулярных мишеней для лекарственных соединений. Протеомика занимается систематическим исследованием белков с целью получения исчерпывающей информации об их структуре, механизмах образования комплексов, функциях и процессах регуляции в биологических системах. Каждый организм имеет индивидуальный протеомный профиль, который изменяется в процессе онтогенеза и приспособления к определенным условиям жизнедеятельности. Текущее состояние функционирующих систем организма, тканей и клеток определяется не только экспрессией определенных генов, но и различными вариантами сплайсинга и посттрансляционных модификаций синтезированных белков, что и является молекулярной основой вариабельности протеома.

Однако планируемое в будущем завершение инвентаризации белков организма человека с высоким уровнем достоверности их идентификации не сможет лечь в основу программ по поиску биомаркеров заболеваний без решения ряда вопросов (Mischak Н. et al., 2007; Aebersold R. et al., 2013). Кроме вопросов стандартизации всех этапов исследований (Thongboonkerd V., 2007), еще более сложными представляются проблемы оценки биологической вариабельности белкового состава исследуемого биоматериала здоровых людей с целью определения диапазона физиологической нормы различных белков внутри человеческой популяции. Помимо значительных различий протеомного профиля у разных индивидуумов и естественных колебаний индивидуального протеома во времени (Sands J.M. & Layton Н.Е., 2009), существуют вариации количественного содержания и качественного состава белков, связанные с адаптивным ответом на изменение внешних условий. Адаптивные изменения количественного содержания и качественного состава белков биологических жидкостей организма здорового человека можно также наблюдать в модельных экспериментах, в частности, имитирующих воздействие отдельных факторов космической экспедиции. В ходе таких экспериментов, как длительная изоляция в гермообъекте и «сухая» иммерсия были выявлены изменения

параметров обмена веществ, увеличение активности ряда ферментов, а также гормональная перестройка, направленная на уменьшение объема внеклеточной жидкости (Григорьев А.И., 1980; Суханов Ю.В., 1985; Каландаров С.К., и др., 1986, Ларина И.М. и др., 1999). Использование мочи в качестве биологического материала исследования при изучении адаптационных механизмов открывает ряд преимуществ. Прежде всего, это связанно с неинвазивностыо, а также с простотой сбора и хранения данного бноматернала. До настоящего момента в области космической биологии не использовался имеющийся потенциал протеомики и незаслуженно мало уделялось внимания изучению пластичности протеома мочи под действием факторов космического полёта, что в свою очередь может предоставить данные для выявления генеза изменений в организме человека, происходящих под действием факторов космического полета.

Целью работы являлась характеристика протеомного профиля мочи здорового человека при воздействии на организм факторов космического полета. В рамках достижения указанной цели решались следующие задачи:

]) выбрать наиболее воспроизводимый метод прямого протеомного профилирования образцов мочи здорового человека;

2) оценить вариабельность протеома мочи здорового человека;

3) оценить изменения протеомного профиля мочи здорового человека после продолжительных космических полетов;

4) охарактеризовать изменения белковой композиции мочи здорового человека при воздействии на его организм условий модельных экспериментов (иммерсии, изоляции в гермообъеме).

Научная новизна

Охарактеризованы изменения белковой композиции мочи здоровых лиц после действия факторов длительных космических полетов и в ходе модельных экспериментов (105-суточная изоляция в гермообъеме и «сухая» иммерсия). В контролируемых условиях жизнедеятельности впервые получены параметры индивидуальной и групповой вариабельности протеома мочи здорового человека. Впервые показано, что полиурия в иммерсии, близкая, по механизму развития, салурезу, сопровождается физиологической протеинурией, развивающейся одновременно с изменениями реабсорбции натрия.

Практическая значимость работы

Использованный в работе биоинформационный метод анализа результатов протеомных исследований позволил выполнить анализ огромного массива данных, выявить белки, являющиеся важными участниками физиологических процессов, и

отвечающие на определенный воздействующий фактор. Проведенный анализ изменений протеомного состава мочи здорового человека во время его жизнедеятельности в гермообъекте позволил реконструировать сеть взаимодействий, обнаруженных в моче белков с физиологическими процессами, происходящими во многих тканях и органах, а также структурировать экспериментальные данные на основе существующих физиологических представлений и сформулировать перспективные гипотезы для последующей их верификации в эксперименте.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Технологическая платформа, включающая прямое масс-спектрометрическое профилирование после префракционированпя мочи на магнитных частицах MB-HIC, является информативным и воспроизводимым методом анализа ее белковой композиции;

2. Изменения вариабельности протеомного профиля мочи в стандартизированных условиях (эксперимент со 105-суточной изоляцией в гермообъекте и 5-суточная «сухая» иммерсия) отражают индивидуальные особенности приспособительных реакций здоровых лиц;

3. Длительные космические экспедиции и эксперименты, моделирующие факторы космического полета, вызывают функциональные изменения белковой композиции мочи и связаны как с внешним воздействием, так и с модификациями внутренней среды организма.

Апробация работы

Основные положения работы были представлены и обсуждены на следующих конференциях: VIII конференция молодых ученых специалистов и студентов, посвященная Дню космонавтики, 14 апреля, 2009, Москва; Итоговая конференция по результатам выполнения мероприятий за 2009 год в рамках приоритетного направления «Живые системы» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», 25-27 ноября 2009, Москва; French-Russian-Belorussian Conference: Neurovascular impairment induced by environmental conditions: molecular, cellular and functional approach. - French-Russian conference, Angers University, France, 10 - 14 March 2010; IX конференция молодых ученых специалистов и студентов, посвященной Дню космонавтики, 14 апреля, 2010, Москва; 31st Annual International Gravitation Physiology Meeting: Trieste, Italy, 13-18 June, 2010; IV Всероссийская конференция-школа «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения», Звенигород, 14-16 октября, 2010; X Конференция молодых ученых, специалистов и студентов, посвященная 50-летию со дня

первого полета человека в космос, 19 апреля 2011, Москва; V Российский симпозиум «Белки и пептиды», 8-12 августа 2011, Петрозаводск; 2-ая Международная научно-практическая конференция "Постгеномные методы анализа в биологии, лабораторной и клинической медицине: Геномика. Протеомика. Биоинформатика", 14-17 ноября, 2011, Новосибирск;, 10th World congress HUPO 2011, Geneva, Switzerland, September 4 - 7, 2011; Космический форум 2011, посвященный 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, 18-19 октября, Звездный городок, 20 - 21 октября, Москва; Международный симпозиум, посвященный итогам выполнения проекта «МАРС-500», 23 - 25 апреля 2012, Москва; 331Ь Annual International Society for Gravitational Physiology Meeting «Life in Space for Life on Earth», Aberdeen - United Kingdom, 18 - 22 June, 2012; Proteomic Forum, Berlin, Germany, 17-21 March, 2013.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы, в том числе 7 статей в журналах из перечня Высшей Аттестационной Комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации.

Структура и объём диссертации

Диссертация изложена на 115 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов исследований с обсуждением, заключения, выводов и списка литературы. Диссертация иллюстрирована 12 таблицами и 5 рисунками. Список использованной литературы содержит 39 отечественных и 170 зарубежных источников.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Материалы исследования

В качестве объекта исследований были использованы: 1 - образцы мочи, полученные от шести российских космонавтов в возрасте от 35 до 51 года, выполнивших космические полеты длительностью от 169 до 199 суток на МКС, и добровольно участвовавшие в космическом эксперименте «Протеом», в рамках которого осуществлялся сбор биологических образцов за 45 -60 суток до полета, а также на первые и седьмые сутки после приземления; 2 - образцы мочи шести добровольцев в возрасте от 25 до 41 года, полученные в фоновом периоде за семь дней до начала эксперимента, еженедельно в течение 105-суточной изоляции, а также в первый и седьмой день периода реадаптации; 3 - образцы мочи от шести здоровых добровольцев-мужчин в возрасте от 21 до 29 лет, обследованных в ходе эксперимента с 5-суточной «сухой» иммерсией (СИ), полученные за 7, 2-е сутки до начала эксперимента (фон), на 2-е, 3-й и 5-ые сутки «сухой» иммерсии и на 1-е, 3-й, 7-е и 15-е сутки после окончания.

Протокол эксперимента «Протеом» был одобрен Комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ - ИМБП РАН и Международным экспертным советом по исследованиям на человеке на МКС (HRMRB). Все добровольцы, участвовавшие в экспериментах, были допущены врачебно-экспертной комиссией к проведению испытаний. Предварительно процедуры и методики исследований были рассмотрены Комиссией по биомедицинской этике при ГНЦ РФ - ИМБП РАН, а от испытателей, принимавших участие в исследовании, получено письменное Информированное согласие.

Методы исследования

Получение образцов мочи. Сбор биологического материала осуществлялся в стерильные емкости, в виде второй утренней фракции после пробуждения, срединной её части для снижения контаминации образца компонентами непочечного происхождения. После получения пробы мочи, каждый образец замораживали и хранили при -80°С до проведения протеомных исследований. В дальнейшем замороженные образцы размораживали и концентрировали до 20-тикратного уменьшения объема супернатанта. Полученный таким способом образец высушивали в вакуумном концентраторе.

Предобработка образцов мочи с использованием магнитных частиц ClinProt MB HIC С8 («Bruker Daltonics»). Очистка и концентрация белков из проб мочи осуществлялась с помощью наборов магнитных частиц MB HIC С8. Все шаги пипетирования растворов, отделения магнитных частиц и нанесения на MALDI-мишень AnchorChip (600/384) выполнялись роботом ClinProtrobot с помощью программы ClinProtRobot 1.3 («Bruker Daltonics»), В качестве матрицы использовали а-циано-4-гидроксикоричную кислоту (0,3 мг/мл в растворе ацетон/этанол в соотношении 1:2). Каждый образец префракционировапн в двух повторах, и с каждого повтора в дальнейшем было получено по 4 спектра. Использовали растворители высокой степени очистки («Merck», Германия).

Масс-спектрометрические измерения. Масс-спектры (диапазон масс от 1000 до 17000 Да) были получены на масс-спектрометре MALDI MS Autoflex III TOF/TOF (Bruker Daltonics), работающем в положительном линейном режиме. Калибровка масс-спектрометра осуществлялась с помощью белковых стандартов (Peptide Calibration Standard и Protein Calibration Standard II, «Bruker Daltonics»).

Анализ масс-спектров. По каждому спектру был получен масс-лнст с указанием отношения массы к заряду (m/z) каждого пика, его площади и интенсивности (ClinProTools 2.1 software («Bruker Daltonics»)). Эти данные экспортировали в таблицы MS Excel, и значения площадей в повторных измерениях усредняли. Кроме того, проводился контроль качества всех полученных спектров с помощью программ Flex Analysis 3.0 и Statistica 6.0 (кластерный анализ, древовидная кластеризация, мера расстояния - евклидово расстояние).

Статистический анализ: Статистический анализ проводили с использованием непараметрического критерия Уилкоксона (программа Statistica 6.0 для Windows). Межгрупповые отличия считали достоверными при р<0,05.

Пробоподготовка образцов мочи к хромато-масс-спектрометрическому анализу. Осаждение белка мочи проводили согласно протоколу обработки мочи для скрининга, утвержденному на рабочем совещании во время конференции HUPO - 2007, Сеул, Корея (состав участников: E.H. Николаев, К. Масселон, С.А. Мошковский, ВТ. Згода, В. Брюн).

Хромато-масс-спектрометрический анализ. Хромато-масс-спектрометрическая методика для анализа проб мочи человека была разработана на базе нанопоточного высокоэффективного жидкостного хроматографа (нано-ВЭЖХ) Agilent 1100 (Agilent Technologies Inc., Санта-Клара, США). Идентификацию пептидов проводили по методам тандемной масс-спектрометрии с использованием поисковой системы Mascot.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Прямое протеомное профилирование мочи здоровых добровольцев в эксперименте с 5-суточной «сухой» иммерсией. Выполнено обследование шести здоровых добровольцев-мужчин в возрасте от 21 до 29 лет. Проведенные физиологические исследования выявили увеличение диуреза примерно на 90% в первый день иммерсии, который оставался на таком уровне в течение всего эксперимента. То же самое можно сказать и о частичном водном балансе — в первый день он становился отрицательным, и оставался таковым на всем протяжении воздействия условий данной модели. В период реадаптации происходило компенсаторное уменьшение диуреза и

увеличение водного баланса. Биохимическими исследованиями были определены уровни Ыа+, К+, С1\ Са2+, белков, мочевины, креатинина в крови, которые, наряду с осмоляльностыо, оставались в пределах нормы на протяжении всего эксперимента. В то же время, была выявлена значительная потеря натрия с мочой в начале иммерсии (с двукратным увеличением в первые сутки эксперимента). Динамика экскреции хлора с мочой была сходной. Уровень экскреции калия с мочой имел незначительные изменения. Отмечено, что осмоляльность мочи значительно уменьшилась во время иммерсии. Мочевина и креатинин мочи изменялись незначительно, а клиренс креатинина в течение эксперимента не менялся. Методом прямого масс-спетрометрического профилирования образцов мочи было получено в среднем по эксперименту (включая фоновый и реадаптационный периоды) 213 пика в диапазоне масс от 900 Да до 11 ООО Да при соотношении сигнал/шум = 5. Анализ данных с подсчетом коэффициентов вариации по всем пикам, показал, что технический коэффициент вариации МС-метода после префракционирования образцов магнитными частицами МВ-Н1С был равен 0,25. Был подсчитан средний коэффициент вариации по всем полученным пикам, который составил 0,48. Показано, что в течение всего экспериментального периода (включая фоновый и реадаптационный периоды) 61 пик (или 28% из выявленного общего числа пиков) характеризовались большим коэффициентом вариации, превышающим технический коэффициент более чем в два раза. Очевидно, эти пики представляют наиболее пластичную часть мочевого протеома и относятся к белкам, содержание которых в моче могло резко меняться. В результате проведенного статистического анализа было выявлено, что 92 из 213 полученных пиков достоверно изменяются по сравнению с первой фоновой точкой (-8 сутки). Наибольшее количество изменений отмечено на 5-ые сутки эксперимента и на первые сутки после его окончания. Все отмеченные на данных точках пики обладают разнонаправленными изменениями, характеризующимися как увеличением, так и уменьшением их площади, относительно фона. Детальный анализ числа масс-спектрометрических пиков, выявляемых в образцах, собранных в различные сроки СИ показал, что доля пиков с увеличенной и сниженной площадью, косвенно свидетельствующей о концентрации белка, из которого получен данный фрагмент, на вторые сутки СИ была идентичной фоновой. На протяжении СИ наибольшее различие в доле (относительно фона) возросших и уменьшившихся по площади пиков приходилось на 4-ые сутки с выравниванием к концу СИ. В периоде реадаптации преобладала доля пиков с уменьшившейся площадью с практическим восстановлением фонового соотношения через неделю. Тенденции увеличения, по сравнению с фоном

относительного числа пиков с увеличившейся площадью соответствовала тенденция роста показателя реабсобции натрия. Кроме того, именно на 4-ые сутки СИ отмечалось наиболее выраженное снижение клиренса осмотически активных веществ (р<0,05). Следовательно, полиурия при СИ, близкая, по механизму развития салурезу на фоне ускоренного тока мочи по канальцам нефрона, сопровождается физиологической протеинурией, которая, как полагают, может зависеть от участия VI-рецепторов, и изменения продукции N0 (Кутина A.B., 2009).

Исследование вариабельности протеста мочи здорового человека в эксперименте с контролируемыми условиями жизнедеятельности. Проведение наземных модельных экспериментов в замкнутых гермообъектах позволяет получить экспериментальные данные о состоянии здоровья и работоспособности человека благодаря максимально стандартизированным условиям жизнедеятельности в замкнутом пространстве (газовый состав воздуха, температура, влажность, микробиологические условия, двигательная активность, режим дня, рацион питания и потребление воды). В эксперименте со 105-суточной изоляцией в гермообъеме были проанализированы образцы мочи, полученные в фоновом периоде, во время изоляции и после ее окончания у шести участников испытаний. Методом прямого профилирования образцов мочи после обработки магнитными частицами MB-HIC в масс-спектрах было получено, в среднем, по 1 17 пиков на образец в диапазоне масс от 900 Да до 11 ООО Да. В результате исследования было показано, что в течение всего эксперимента 36 пиков (или 30,7% из выявленного числа) характеризовались большим коэффициентом вариации, превышающим технический коэффициент (0,25) более чем в два раза (Рисунок 1).

Рисунок 1. Доля m/z пиков, полученных после префракционирования мочи шести участников эксперимента магнитными частицами MB-HIC, и характеризующихся высокими значениями коэффициентов вариации.

16

14

к 12

а 10

Я

с 3

о

м 5

а 4

участники эксперимента

Отмечено, что все эти пики, составляющие наиболее пластичную часть изучаемого субпротеома, обладают значительной межиндивидуальной вариабельностью. Так, пик с масс-зарядным соотношением m/z 4750,86 Да имеет высокую степень разброса среди результатов, полученных у пяти участников эксперимента (CV = 0,64 - 1,05), а пик с m/z 9748,51 Да, соответственно, среди четырех участников (CV = 0,58 — 1,02). Также можно отметить пик с m/z 2192,71 Да с высоким коэффициентом вариации у двух добровольцев (CV = 0,58 и CV = 0,82, соответственно). Было установлено, что данный пик является фрагментом белка гепцидина-20, служащим основным сигнальным фактором, контролирующим процессы высвобождения железа из мест его депонирования в организме (Kemna Е. et al., 2005; Piperno А. et al, 2009). Гепцидин образуется в печени в ответ на действие противовоспалительных цитокинов острой фазы, а также при перегрузке организма железом. Ранее, Douglas G. Ward et al. предположили, что гепцидин-20 может являться биомаркером рака толстой кишки (Ward D.G. et al. 2008). Средний коэффициент вариации, вычисленный по всем пикам для каждого участника эксперимента, колебался в пределах 0,31 - 0,39, что превышает техническую погрешность метода и выявляет диапазон индивидуальной вариабельности. Полученные результаты ясно показывают выявление и сохранение индивидуальной вариабельности в протеоме мочи здорового человека на 31% по сравнению с фоновыми показателями после 105-суточной изоляции в гермообъекте. Следовательно, вариабельность протеомного профиля мочи в данном случае может отражать индивидуальные особенности приспособительных реакций каждого участника.

Выявление и анализ белок-белковых взаимодействий на основе изучения протеома мочи здорового человека в эксперименте со 105-суточной изоляцией в гермообъекте. В данном исследовании с целью изучения протеома мочи здоровых людей в условиях 105-суточной изоляции при строго контролируемых условиях жизнедеятельности, был проведен хромато-масс-спектрометрический анализ образцов мочи, полученных от шести здоровых мужчин в возрасте от 26 до 41 года. В результате всего было обнаружено 690 протеотипических пептидов, однозначно идентифицирующих белки человека. Список этих белков был подвергнут классификации с целью выявления групп белков, чья динамика появления и исчезновения из образцов мочи добровольцев обладала достоверным сходством в течение эксперимента, для чего был проведен иерархический кластерный анализ. В результате значимые отличия были обнаружены для нескольких кластеров белков. Для дальнейшего анализа нами был выбран кластер 87, который оказался наиболее тесно ассоциирован с водно-электролитным обменом. Белки

данного кластера представляли функционально-разнородную группу. Их анализ выполнялся по литературным данным. Так, один из них, CD44_HUMAN - это рецептор для гиалуроновой кислоты, через связь с которой опосредуются как межклеточные взаимодействия, так и взаимодействия клеток с межклеточным матриксом (Dougherty G.J. et al, 1991; Staraenkovic I. et al, 1989). Данный белок (рецептор) также обладает высоким сродством к другим лигандам, таким как остеопонтин, коллагены различного типа, металлопротеиназы. Среди выявленных белков оказался остеопонтин (OSTP_HUMAN), синтезируемый в костной ткани и интенсивно связывающийся с гидроксиапатитом. Он интегрирует минерализующийся матрикс, и важен для клеточно-матриксного взаимодействия (Fukudome К. et al, 1994; Kiefer М.С. et al, 1989; Young M.F. et al, 1990). Считают, что он функционирует как цитокин, увеличивая образование интерферона-гамма и интерлейкина 12 и, одновременно, снижая продукцию интерлейкина 10, что дает ему возможность участвовать в организации иммунной реакции 1 типа. Идентифицированый EPCR_HUMAN - белок рецептора комплекса гистосовместимостн CD 1 эндотелиальных клеток - стимулирует образование связи с тромбин-тромбомодулин комплексом; и, таким образом, играет роль в реакциях, контролирующих процесс свертывания крови и воспаления (Simmonds R.E. et al, 1999). Выявленный белок ICOSL_HUMAN - лиганд-индуцибельного ко-стимулятора Т-клеток (ICOS), представляющего собой члена семейств белков CD28, В7 (Yoshinaga S.K. et al, 2000). Это лиганд, связывающийся с поверхностным рецептором Т-клеток, который стимулирует пролиферацию B-клеток и их дифференциацию, играющий важную роль в местном воспалительном ответе и запуске вторичного иммунного ответа (Gleich G.J. et al, 1986). Идентифицированный нами RNAS2_HUMAN является несекретируемой пиридин-специфической рибонуклеазой, обладающей цитотоксическими свойствами, избирательным хемотаксисом для дендритных клеток (Prost S. et al, 2002; Teufel D.P. et al, 2003). Кроме того, к кластеру 87 принадлежал YIPF3_HUMAN - маркер гемопоэза, мембранный белок, который синтезируется на ранних стадиях гемопоэтическими стволовыми клетками (Lievens S. et al 2010). Наконец, в кластере 87 присутствовал альбумин - ALBU_HUMAN, основной транспортный белок плазмы крови, который выполняет транспортные функции для воды, ионов кальция, натрия, калия, жирных кислот, гормонов, билирубина и участвует в поддержании осмоляльности плазмы крови.

В дальнейшем была проведена реконструкция ассоциативной интерактомной сети кластера 87 с помощью программ ANDCell и ANDVisio (Деменков П.С., 2008), которая позволила выявить новые белки, связанные с водно-электролитным обменом (Рисунок 2).

Проведенный анализ позволил построить гистограмму распределения данных белков по принадлежности к тканям, органам и жидкостям тела, в результате которого оказалось, что наибольшую группу (73 белка) составили белки, синтезируемые повсеместно, в большинстве тканей и клеток организма человека. В эту группу входили, в основном, внутриклеточные и мембранные белки. Другую крупную группу (51 протеин) представляли белки клеток крови, в том числе синтезируемые в иммунокомпетентных клетках. Появление данной группы белков позволяет судить о немаловажной роли сердечно-сосудистой системы в формировании адаптивной реакции в ответ на влияние длительной изоляции и требует детального рассмотрения в дальнейших исследованиях. Белки печени (25), желудочно-кишечного тракта (13) и других висцеральных органов (12) также были выявлены в интерактомной сети.

Рисунок 2. Ассоциативная интерактомная сеть для кластера 87. Белки кластера показаны большими шарами, новые белки, вовлеченные в интерактомную сеть, показаны малыми шарами. В сети также указаны взаимосвязи белков с NaCI (sodium chloride).

Таким образом, проведенный анализ показал, что в контролируемых условиях жизнедеятельности в моче здоровых обследуемых выявлялись белки различного происхождения. Динамика появления или исчезновения из мочи части из них тесно коррелировала с режимом солепотребления в эксперименте.

Протеомный профиль мочи космонавтов после продолжительных космических полетов на ¡МКС. В данном разделе проводился анализ изменений белковой композиции мочи шести российских космонавтов в возрасте от 35 до 51 года, совершивших продолжительные полеты на Международной космической станции длительностью от 169

до 199 суток. В результате анализа методом прямого профилирования мочи в полученных масс-спектрах было выявлено 134 MS-пиков в диапазоне масс от 900 до 11 ООО Да. С помощью критерия Уилкоксона были обнаружены достоверные изменения площади 31-го пика (23,1% от всех пиков протеомного профиля) на 1-ые сутки, 9-и пиков (6,7%) на 7-ые сутки после приземления, и 4-х (2,9%) на 1-ые и 7-ые сутки по сравнению с фоном (р<0,05). Таким образом, по сравнению с фоном были выявлены достоверные изменения площади 32,8% пиков протеомного профиля образцов мочи космонавтов после длительного полета.

В результате хромато-масс-спектрометрического анализа образцов мочи космонавтов в данном исследовании было выявлено в среднем в каждой пробе мочи 108 различных пептидов (от 55 до 142), а всего, во всех пробах - 430 различных пептидов. Анализ показал, что из общего числа обнаруженных пептидов двадцать были общими для всех сроков обследования, т.е. встречались в образцах мочи перед полетом, на первые и седьмые сутки после окончания полета. После установления их соответствия белкам (по UniProt) был проведен анализ их клеточной локализации, тканевой специфичности и функций, которые оказались достаточно разнообразными. Таким образом, были идентифицированны следующие белки:

1. Проэпидермапьный фактор роста - стимулирует рост эпидермальных и эпителиальных тканей, а также фибробластов; магний-зависимый гормон, стимулирующий реабсорбцию магния в дистальных почечных канальцах.

2. Рецептор полимерных иммуноглобулинов - связывает полимерные IgA и IgM на базолатеральной поверхности эпителиальных клеток, после чего секретируется клеткой через апикальную мембрану.

3. Ингибитор сериновых протеаз плазмы - ингибирует активированный белок С, а также плазминоген.

4. Белок АМВР - ингибирует трипсин, плазмин и эластазу лизосомальных гранулоцитов, а также кристаллизацию оксалатов кальция.

5. Гемопексин - связывает гемм и переносит его в печень для дальнейшего разрушения и депонирования железа, после чего свободный гемопексин возвращается в кровь.

6. Галактин-З-связывающий белок - способствует интегрин-опосредованной клеточной адгезии, стимулирует противовирусную и противоопухолевую защиту.

7. Дезоксирибонуклеаза-1 - принимает участие в апоптозе, специфически связывается с G-актином и препятствует полимеризации актина.

8. Кининоген-1 - является ингибитором тиолных протеаз; высокомолекулярный кининоген играет важную роль в свёртывании крови, ингибирует тромбин - и плазмин-индуцированную агрегацию тромбоцитов; низкомолекулярный кининоген препятствует агрегации тромбоцитов, не участвует в свертываемости крови.

9. Альфа-1 цепь коллагена VI - функционирует как белок клеточной адгезии.

10. Сывороточный альбумин - основной белок плазмы, способен связывать воду, Са2+, Иа*, К+, жирные кислоты, гормоны, билирубин и лекарства; кроме транспортной функции, участвует в регуляции уровня осмоляльности плазмы; основной переносчик цинка в плазме, связывает около 80% цинка плазмы.

11. Кератин 2 типа - регулирует активность киназ, связывая интегрин бета-1 и рецептор активированной киназы С; один из основных компонентов клеток.

12. Эндосалин - играет важную роль в ангиогенезе.

13. Серотрансферин - железо-связывающий транспортный белок, отвечающий за перенос железа с мест поглощения и деградации гемма к местам хранения и использования; участвует в стимуляции, пролиферации клеток.

14. Кадерин-13 - кальций-зависимый белок клеточной адгезии.

15. Рецептор липопротеинов низкой плотности - действует вместе с кубулином, опосредуя эндоцитоз; модулирует действие паратиреоидного гормона.

16. Антиген С014 дифференциации моноцитов - обеспечивает врожденный иммунный ответ на бактериальные липополисахариды; приводит к секреции цитокинов и вызывает реакцию воспаления; положительно модулирует действие молекул клеточной адгезии.

17. Кубулин - кальций-зависимый ко-транспортер, играет роль в метаболизме липопротеинов, витаминов и железа.

18. Цинк-альфа-2-гликопротеин - стимулирует деградацию липидов в адипоцитах; связывает полиненасыщенные жирные кислоты.

19. Аминопептидаза N - многофункциональная аминопептидаза, играет роль в заключительном расщеплении пептидов, образованных при гидролизе белков протеазами желудочного и поджелудочного сока; может быть вовлечена в метаболизм регулирования пептидов различных клеток, включая клетки малого кишечника и трубчатых эпителиальных клеток, макрофаги, гранулоцитов и синаптические мембраны центральной нервной системы; также задействован как

регулятор биодоступности интерлейкина-8, может участвовать в регуляции ангиогенеза; медиатор цитомегаловирусной инфекции.

20. Альфа-1 цепь коллагена XV - структурный белок, стабилизирующий микровезикулы и мышечные клетки как в сердце, так и в скелетной мускулатуре.

В образцах мочи космонавтов выявлялись белки различного происхождения. Значительная часть белков, преодолевающих гломерулярный фильтр, поступала в мочу из крови. Белки, синтезируемые в почках и предстательной железе, также достоверно выявлялись в моче. Происхождение плазменных белков, выявленных в моче, также было различным - это были как собственно протеины крови, осуществляющие в ней свою функцию, так и продукты «подтекания» тканей или внутриклеточные белки, поступающие в кровь в результате клеточной гибели (апоптотической или в результате протеолиза) (Jia L. et al, 2009; Anderson N.L. et al, 2002). Помимо стабильной части мочевого протеома, нами были выявлены пять белков, которые не обнаруживались в пробах мочи в первые сутки после космического полёта, однако были выявлены в предполетном периоде. Ими являлись рецептор тирозинкиназы, цнтоскелетный кератин-1, рецептор, сопряженный с G-белком, семейства С, интер-альфа (глобулин) ингибитор Н4, а также белок с генным названием SERPING1. Их происхождение и функции различны. Так, рецептор тирозинкиназы данного типа экспрессируется в нормальных тканях толстого кишечника и служит сигнальной молекулой для специфических клеток мезодермального происхождения. Белок цитоскелета - кератин I типа экспрессируется во всех супрабазальных клетках и является важным маркером дифференцировки эпителия и участником воспалительного процесса. Мембранный рецептор, сопряженный с G-белком семейства С, экспрессируемый в желудке, почках, печени, поджелудочной железе и простате, индуцируется ретиноевой кислотой. Серпинг (SERPING1) - ингибитор сериновых (цистеиновых) протеиназ С1 - блокирует деятельность нескольких белков в крови, включая плазменный каллекреин и активизированную форму фактора XII. Интеральфа (глобулин) ингибитор Н4 представляет собой эндопептидазу серинового типа.

Более значимым представлялся анализ функций группы белков, для которых были выявлены динамические изменения в ходе исследования, и которые, напротив, не выявлялись в моче до космического полёта, но появлялись в большинстве проб в первые сутки после его завершения (Рисунок 3).

Рисунок 3. Представленность белков в образцах мочи шести космонавтов (А - до полета, Б - на 1 -ые сутки после окончания полета, В - на 7-ые сутки после окончания полета).

А)

1 - Альфа цепь фибриногена

2 - Секретируемый и трансмембранный белок 1

3 - У-1У участок каппа-цепи иммуноглобулина

4 - Альфа-1-антихимотрипсин

5 - Ы-ацетил гликозамин-6-сульфатаза

9 - Пролактин-индуцируемый пептид

10 - Коллаген альфа-1(1) цепь

11 - Витронектин

12 - Ревматоидный фактор 05 легкая цепь

13 - Пептидогликан-распознающий протеин-1

6 - Уромодулин

14 - Гранулин

7 - Панкреатическая рибонуклеаза

15 - Ь-лактат дегидрогеназа В цепь

8 - Цистатин-М

Идентифицированные пятнадцать белков участвуют в различных биологических процессах и функциях организма (Таблица 1). Данные о тканевой принадлежности вышеуказанных белков не отражают процесса интенсивного разрушения белков мышечной ткани в результате воздействия микрогравитации на организм. Возможно, при такой продолжительности полета, которой характеризовалась исследуемая группа космонавтов, процессы ремоделирования белков в мышцах уже достигли равновесного состояния. Таким образом, исследование протеомного профиля мочи космонавтов после продолжительных космических полетов на МКС позволило определить как стабильную, так и пластичную часть субпротеома с определением их субклеточной локализации и тканевой специфичности.

Таблица 1. Белки мочи, представленность которых возросла в образцах мочи шести космонавтов после длительного космического

полета.

Название белка Функции

Альфа цепь фибриногена Способствует полимеризации мономеров в фибрин, действует как ко-фактор в агрегации тромбоцитов

Секретируемый и трансмембранный белок 1 Может быть вовлечен в сигнализацию тимоцитов

участок каппа-цепи иммуноглобулина Играет важную роль в иммунном ответе

Альфа-1 -антихимотрипсин Физиологические функции белка выяснены не окончательно, он может ингибировать катепсин g нейтрофилов и тучные клетки, а также преобразовать ангиотензин-1 в активный ангиотензии-2

>)-ацетил гликозамин-6-сульфатаза Участвует в метаболизме крупных молекул гликозаминогликанов

Уромодулин Секретируется в мочу после протеолитического расщепления. В моче способствует поддержанию осмотического давления, предотвращает инфекции мочевыводящих путей и модулирует формирование кристаллов солей

Панкреатическая рибонуклеаза Обладает активностью эндорибонуклеазы, специфически расщепляющей фосфодиэфирные связи, пиримидиновых нуклеотидов

Цистатин -М Белок класса ингибиторов протеаз. Умеренное ингибироваиие катапсииа В, слабо активен относительно катапсина С

Пролактин - индуцируемый пептид Способен связаться с клеточным рецептором С04-Т, иммуноглобулином О, что свидетельствует о его возможном участии во многих важных биологических процессах

Коллаген альфа - і (I) цепь Является частью структуры коллагена! типа

Продолжение Таблицы 1. Белки мочи, представленность которых возросла в образцах мочи шести космонавтов после длительного

космического полета.

Название белка Функции

Витронектин Фактор клеточной адгезии, полифункциональный гликопротеин, компонент крови и внеклеточного матрикса, взаимодействует с гликозаминогликанами, протеогликанами, коллагеном, плазмиио-геном, рецептором урокиназы; стабилизирует конформацию иигибитора активации плазминогена 1, регулируя деградацию матрикса

Ревматоидный фактор 05 легкая цепь Участвует в иммунной реакции при развитии ревматоидного артрита

Пептидогликан-распознающий протеин -1 Связывает муреиновые пептидогликаны граммположительных бактерий, обладает по отношению к ним бактерицидной активностью, связывает граммотрицательные бактерии. Относится к системе врожденного иммунитета

Гранулин Обладает цитокинновой активностью. Играет определенную роль в воспалении, репарации и восстановлении ткани

Ь-лактат дегидрогеназа В цепь Фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий на последней стадии гликолиза обратимую реакцию окисления Б-молочной кислоты в пировиноградную. Превращает пируват в лактат при отсутствии кислорода и осуществляет обратную реакцию в печени в цикле Соп

выводы

1. Прямое масс-спектрометричеекое профилирование является надежным и информативным методом при проведении анализа и оценки белкового состава биологических жидкостей (в диапазоне регистрируемых масс от 900 Да до 11 ООО Да).

2. Протеомный профиль мочи в контролируемых условиях модельных экспериментов характеризуется высокой групповой и индивидуальной вариабельностью, несмотря на стандартизированные условия жизнедеятельности обследуемых (уровни потребления основных нутриентов, жидкости, уровень двигательной активности, состав атмосферы, ритм сна - бодрствования). Во время 105-суточной изоляции шестерых здоровых мужчин в гермообъекте была выявлена наиболее пластичная часть мочевого субпротеома, составляющая 30,7% из выявляемого числа МС-пиков, с коэффициентом вариации, превышающим технический более чем в два раза. Все эти пики обладают значительной групповой вариабельностью. Диапазон индивидуальной вариабельности, вычисленный по всем пикам, колебался в пределах 0,31 - 0,39, что превышает аналитическую вариабельность метода.

3. В 5-суточной «сухой» иммерсии около трети МС-пиков характеризовались коэффициентом вариации в несколько раз превышающим аналитическую вариабельность метода. Выявлено соответствие тенденций роста относительного количества МС-пиков с большей, чем в фоне, площадью и увеличения показателя реабсобции натрия. На 4-ые сутки СИ также отмечалось наиболее выраженное снижение клиренса осмотически активных веществ (р<0,05). Следовательно, полиурия при СИ, близкая по механизму развития салурезу, сопровождается физиологической протеинурией.

4. Анализ белок-белковых взаимодействий, выполненный в эксперименте со 105-суточной изоляцией на основе данных протеома мочи с помощью биоинформационных методов с применением программ АЫОСеН и АЫОУ15ю, позволил выявить сети взаимодействий, состоящие более чем из 200 белков, динамика присутственное™ которых в моче оказалась тесно связанной с уровнем потребления натрия обследуемыми.

5. Исследование протеомного профиля мочи космонавтов после продолжительных космических полетов на МКС позволило определить группу из 15 белков мочи, которые в основном выявлялись после полета, а также стабильную часть субпротеома, представленную 20 белками с различной тканевой специфичностью и субклеточной локализацией.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Валеева О. А., Пастушкова J1. X., Пахарукова Н. А., Доброхотов И. В., Ларина И. М. Вариабельность протеома мочи здорового человека в эксперименте с 105-суточной изоляцией в гермообъекте // Физиология человека. - 2011. - Т.37. - № 3. - С. 98 - 102.

2. Носков В.Б., Ларина И.М., Пастушкова Л.Х., Доброхотов И.В., Валеева OA., Купэ M., Кусто М.А., Новоселова A.M. Функционирование почек и состояние жидкостных сред организма человека в условиях 5-суточной иммерсии // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2011. — Т.45. - № 6. - С. 22-26.

3. Ларина И.М., Колчанов H.A., Доброхотов И.В., Иванисенко В.А., Деменков П.С., Тийс Е.С., Валеева O.A., Пастушкова Л.Х., Николаев E.H. Реконструкция ассоциативных белковых сетей, связанных с процессами регуляции обмена и депонирования натрия в организме здорового человека на основе изучения протеома мочи // Физиология человека,- 2012. -Т.38. -№ 3.-С.107 -115.

4. L.Kh. Pastushkova, O.A. Valeeva, A.S. Kononikhin, E.N. Nikolaev, I.M. Larina, I.V. Dobrokhotov, I.A. Popov, V.l. Pochuev, K.S. Kireev, A.I. Grigoriev. Changes in urine protein composition in human organism during long term space flights // Acta Astronáutica. - 2012. - V.81 . -P.430-434.

5. Пастушкова Л.Х., Валеева O.A., Кононихин A.C., Николаев E.H., Попов И.А., Ларина И.M., Доброхотов И.В., Иванисенко В.А., Тийс Е.С., Колчанов H.A. Анализ белковых взаимодействий на основе изучения протеома мочи человека в эксперименте со 105-суточной изоляцией // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2012. - Т. 46. - № 2. - С. 37-43.

6. Пастушкова Л. X., Пахарукова Н. А., Новоселова Н.М., Доброхотов И. В., Валеева O.A., М.-А. Кусто, Ларина И. М. Прямое протеомное профилирование мочи и сыворотки крови человека в эксперименте с 5-суточной «сухой» иммерсией // Авиакосмическая и экологическая медицина. -2012. - Т. 46. -№ 4. - С. 31 -37.

7. Пастушкова Л.Х., Валеева O.A., Кононихин A.C., Николаев E.H., Ларина И.М., Доброхотов И.В., Попов И.А., Почуев В.И., Киреев К.С. Изменения белковой композиции мочи человека после продолжительных орбитальных полетов II Бюллетень экспериментальной биологии и медицины,- 2013. - Т. 156.—№ 8. — С. 166—171.

8. E.H. Николаев, И.А. Попов, A.C. Кононихин, С.А. Мошковский, О.Н. Харыбин, И.А. Агрон, Д.М. Автономов, H.A. Христенко, М.И. Индейкина, Л.Х. Пастушкова, И.М. Ларина, O.A. Валеева, О.П. Трифонова, И.В. Доброхотов, H.A. Пахарукова. Разработка хромато-масс-спектрометрических методов быстрого анализа протеома мочи. Итоговая конференция по результатам выполнения мероприятий за 2009 год в рамках приоритетного направления «Живые системы» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» // Сборник тезисов. - 2009, 25 - 27 ноября, Москва, С. 136 - 137.

9. Валеева O.A., Доброхотов И.В. Подготовка и масс-спектрометрическое профилирование образцов мочи здорового человека в норме и при моделировании физиологических эффектов космического полета // Материалы VIII конференции молодых ученых специалистов и студентов, посвященная Дню космонавтики. - 2009,14 апреля, Москва. С.10.

10. Христенко H.A., Валеева O.A. Масс-спектрометрическое исследование протеома мочи здорового человека // Материалы VIII конференции молодых ученых специалистов и студентов, посвященная Дню космонавтики. - 2009, 14 апреля, Москва. С.56.

11. Valeeva О. A., Pakharukova N. A., Dobrokhotov I.V., Pastushkova L.Kh., Larina I.M. ^Influence of 105-daiiy isolation on variability of urine proteins. French-Russian-Belomssian Conference: Neurovascular impairment induced by environmental conditions: molecular, cellular and functional approach // French-Russian conference. - 2010, 10-14 March, Angers University, France, P. 12.

12. Валеева O.A., Доброхотов И.В. Исследование методами масс-спектрометрии динамики изменения протеома мочи при длительной изоляции человека // IX конференция молодых ученых специалистов и студентов, посвященной Дню космонавтики. - 2010, 14 апреля, Москва, С. 23.

13. Valeeva O.A., Pastushkova L.Kh., Dobrokhotov I.V., Nikolaev E.N., Popov I.A., Kononihin A.S., Ivanisenko V.A., Larina I.M. Dynamic changes of supposed biomarkers of non-osmotic deposition

of sodium in the urine of healthy persons during 105-daily isolation // 31st Annual International Gravitation Physiology Meeting. - 2010, 13-18 June, Trieste, Italy, P.57.

14. Кононихин A.C., Автономов Д. M., Попов И.А., Валеева О.А., Пастушкова Л.Х., Доброхотов И.В., Ларина И.М., Николаев Е.Н. Исследование динамики изменение протеома мочи у здоровых людей в течение 105-суточной изоляции // IV Всероссийская конференция-школа «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения» . - 2010, 14 -17 октября, Звенигород, С. 102.

15. Валеева О. А., Исследование протеома мочи после длительных космических полетов // X Конференция молодых ученых, специалистов и студентов, посвященная 50-летию со дня первого полета человека в космос. - 2011, 19 апреля, Москва, С. 18.

16. Доброхотов И.В., Валеева О.А., Пастушкова Л.Х., Николаев Е.Н., Попов И.А., Кононихин А.С., Иванисенко В.А., Ларина И.М. Исследование динамики изменения белков-маркеров неосмотического депонирования натрия у здоровых людей // V Российский симпозиум «Белки и пептиды». - 2011,8-12 августа, Петрозаводск, С.160.

17. Тийс Е.С., Деменков П.С., Доброхотов И.В., Валеева О.А., Пастушкова Л.Х., Николаев Е.Н., Ларина И.М., Колчанов Н.А., Иванисенко В.А. Автоматическая реконструкция ассоциативных генных сетей на примере анализа протеома мочи // 2-ая Международная научно-практическая конференция "Постгеномные методы анализа в биологии, лабораторной и клинической медицине: Геномика. Протеомика. Биоинформатика". - 2011, 14 - 17 ноября, Новосибирск, С. 177.

18. A. Kononikhin, L. Pastushkova, I. Popov, О. Valeeva, D. Avtonomov, I. Larina, A. Grigoryev, E. Nikolaev. Mass spectrometric characterization of human urine proteome changes induced by space flight // I0'h World congress HUPO 2011, Book of Abstracts. - 2011, September 4-7, Geneva, Switzerland, P. 490.

19. O.A. Валеева, И.В. Доброхотов, Л.Х. Пастушкова, И.М. Ларина, А.С. Кононихин, И.А. Попов, Е.Н. Николаев. Исследование протеома мочи космонавтов после длительных полетов на МКС // Космический форум 2011, посвященный 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина. - 2011, 18-19 октября, Звездный городок, 20-21 октября, Москва, С. 148.

20. Пастушкова Л. X., Ларина И. М., Николаев Е. Н., Кононихин А. С., Тийс Е. С., Валеева О. А., Доброхотов Д. В., Иванисенко В. А. Анализ протеома мочи Здорового человека при воздействии различных режимов солепотребления в контролируемых условиях 105-суточной изоляции // Международный симпозиум, посвященный итогам выполнения проекта «МАРС-500» . -2012, 23-25 апреля, Москва, С. 12.

21. Pastushkova, L.; Valeeva, О.; Dobrochotov, I; Larina, I. Changes of Healthy Human Urine And Serum Proteome Profile During 5-Day "Dry" Immersion // 331'1 Annual International Society for Gravitational Physiology Meeting «Life in Space for Life on Earth». - 2012, 18-22 June, Aberdeen, United Kingdom, P. 100.

22. L. Kh. Pastushkova, Kirill S. Kireev, A. S. Kononokhin, I. V. Dobrokhotov, I. A. Popov, O. A. Valeeva, N. L. Starodubtseva, V. A. Ivanisenko, P. S. Demenkov, E. S. Tils, N. A. Kolchanov, I. M. Larina, Evgeny N. Nikolaev. Human Urine Proteome Changes Induced By Space Flight // Proteomic Forum. - 2013,17 - 21 March, Berlin, Germany, PH037.

Заказ № 32-Р/08/2013 Подписано в печать 21.08.2013 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1

"Цифровнчок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таИ:info@cfr.ru

 
 

Текст научной работы по медицине, диссертация 2013 года, Образцова, Ольга Анатольевна

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ РАН

ОБРАЗЦОВА ОЛЬГА АНАТОЛЬЕВНА

ОСОБЕННОСТИ ПРОТЕОМА МОЧИ ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА ПРИ ВЛИЯНИИ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА

14.03.08 - авиационная, космическая и морская медицина 03.01.03 - молекулярная биология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: д.м.н., профессор Ларина Ирина Михайловна д. ф-м.н., профессор Николаев Евгений Николаевич

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ 4

1. ВВЕДЕНИЕ 5

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10

2. 1. Физиологические аспекты мочеобразования 10

2. 2. Моча как объект протеомного исследования 21

2.3. Изучение белкового состава мочи в условиях космического полета 26

2. 4. Изменения белкового состава мочи в экспериментах по моделированию факторов космического полета 30

2. 4. 1. Изменение белков мочи в условиях длительной изоляции в гермообъекте 30

2. 4. 2. Изменения белков мочи в условиях «сухой» иммерсии 32

2.5. Методы исследования протеомного профиля мочи человека 34

2.5. 1. Применение масс-спектрометрии для анализа протеомного профиля мочи 35

2.5.2. Прямое масс-спектрометрическое профилирование 39

2.5.3. Технология префракционирования образцов на магнитных частицах перед МА1Ю1-ТОЕ масс-спектрометрией 39

2. 5. 4. Преимущества и недостатки прямого масс-спектрометрического профилирования 41

3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 43

3. 1. Материалы исследования 43

3.2. Объекты исследования 44

3.3. Циклограмма получения образцов мочи и условия эксперимента по моделированию факторов космического полета 44

3.3. 1. Длительные космические полеты 44

3.3.2. 105-суточная изоляция в гермообъекте 45

3.3.3 5-суточная «сухая» иммерсия 46

3.4. Методы исследования 47

3.4. 1. Получение проб мочи 47

3.4. 2. Предобработка образцов мочи с использованием магнитных 47

частиц ClinProt MB HIC C8 («Bruker Daltonics»)

3.4.3. Масс-спектрометрические измерения 48

3.4. 4. Анализ масс-спектров 48

3.4.5. Контроль качества масс-спектров 49

3.4. 6. Статистический анализ 49

3.4. 7. Пробоподготовка образцов мочи к хромато-масс-спектрометрическому анализу 50

3.4.8. Хромато-масс-спектрометрический анализ 51

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 53

4. 1. Прямое протеомное профилирование мочи здоровых добровольцев в эксперименте с 5-суточной «сухой» иммерсией 53

4. 2. Исследование вариабельности протеома мочи здорового человека в эксперименте с контролируемыми условиями жизнедеятельности 60

4.3. Выявление и анализ белок-белковых взаимодействий на основе изучения протеома мочи здорового человека в эксперименте со 105-суточной изоляцией в гермообъекте 63

4. 4. Протеомный профиль мочи космонавтов после продолжительных космических полетов на МКС 74

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94

6. ВЫВОДЫ 96

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 97

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

CV - коэффициент вариации ESI - электроспрейная ионизация

НССА - а-циано-4-гидроксикоричная кислота (hydrocinnamic acid) MALDI-TOF MS - время-пролетная масс-спектрометрия с лазерной десорбцией и ионизацией с помощью матрицы (matrix assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry)

MB HIC - магнитные частицы, функционирующие по принципу обращенно-фазового взаимодействия (magnetic beads based hydrophobic interaction chromatography) MS/MS - тандемная масс-спектрометрия m/z - отношение массы к заряду, Дальтон

SELDI - усиленная поверхностью лазерная десорбция-ионизация

SELDI-TOF MS - время-пролетная масс-спектрометрия с ионизацией SELDI (surface

enhanced laser desorptiom-ionization time of flight mass spectrometry)

МКС - Международная Космическая Станция

AQP - аквапорин

GBM - базальная мембрана

PTMs - посттрансляционные модификации белков

TJ - межклеточные контакты

IDE - одномерный электрофорез

2DE - двумерный электрофорез

LC - жидкостная хроматография

ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография

КП - космический полет

ПК - проксимальный каналец нефрона

СИ - сухая иммерсия

ПВ - период восстановления

Ф - фоновый период

ББВ/PPI - белок-белковые взаимодействия

1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Протеомика, как одно из направлений системной биологии, активно развивается во многих странах мира и занимает ведущие позиции в научных программах современной прикладной и фундаментальной медицины, физиологии, а также фармацевтики. Практическая значимость протеомных исследований определяется возможностью применения новейших технологических платформ и биоинформационных подходов в диагностике различных заболеваний, выяснении закономерностей функционирования клеток и открытием новых молекулярных мишеней для лекарственных соединений. Протеомика занимается систематическим исследованием белков с целью получения исчерпывающей информации об их структуре, механизмах образования комплексов, функциях и процессах регуляции в биологических системах. Каждый организм имеет индивидуальный протеомный профиль, который изменяется в процессе онтогенеза и приспособления к определенным условиям жизнедеятельности. Текущее состояние функционирующих систем организма, тканей и клеток определяется не только экспрессией определенных генов, но и различными вариантами сплайсинга и посттрансляционных модификаций синтезированных белков, что и является молекулярной основой вариабельности протеома.

Однако, планируемое в будущем завершение инвентаризации белков организма человека с высоким уровнем достоверности их идентификации не сможет лечь в основу программ по поиску биомаркеров заболеваний без решения ряда вопросов. Кроме вопросов стандартизации всех этапов исследований, еще более сложными представляются проблемы оценки биологической вариабельности белкового состава исследуемого биоматериала здоровых людей с целью определения диапазона физиологической нормы различных белков внутри человеческой популяции.

Помимо значительных различий протеомного профиля у разных индивидуумов и естественных колебаний индивидуального протеома во времени, существуют вариации количественного содержания и качественного состава белков, связанные с адаптивным ответом на изменение внешних условий. Адаптивные изменения количественного содержания и качественного состава белков биологических жидкостей организма можно также наблюдать в модельных экспериментах, в частности, имитирующих воздействие отдельных факторов космической экспедиции. В ходе таких экспериментов, как длительная изоляция в гермообъекте и «сухая» иммерсия, были выявлены изменения параметров обмена веществ, увеличение активности ряда ферментов, а также

гормональная перестройка, направленная на «сброс» лишней жидкости (Каландаров С.К., Коршунова В.А., Проскурова Г.И., 1986; Маркин A.A., Строгонова Л.Б., Вострикова JLB., 1997; Маркин A.A., Журавлева O.A., Вострикова JI.В. и др., 2001).

Использование мочи в качестве биологического материала исследования открывает ряд преимуществ. Прежде всего это связанно с неинвазивностью, а также с простотой сбора и хранения данного биоматериала. До настоящего момента в области космической биологии не использовали имеющийся потенциал протеомики и незаслуженно мало уделяли внимания изучению пластичности протеомного профиля мочи под действием факторов космического полёта, что в свою очередь может предоставить данные для выявления генеза изменений в организме человека, происходящих под действием факторов космического полета.

Целью работы являлась характеристика протеомного профиля мочи здорового человека при воздействии на организм факторов космического полета. В рамках достижения указанной цели решались следующие задачи:

1) выбрать наиболее воспроизводимый метод прямого протеомного профилирования образцов мочи здорового человека;

2) оценить вариабельность протеома мочи здорового человека;

3) оценить изменения протеомного профиля мочи здорового человека после продолжительных космических полетов;

4) охарактеризовать изменения белковой композиции мочи здорового человека при воздействии на его организм условий модельных экспериментов (иммерсии, изоляции в гермообъекте).

Научная новизна

Охарактеризованы изменения белковой композиции мочи здоровых лиц после действия факторов длительных космических полетов и в ходе модельных экспериментов (105-суточная изоляция в гермообъекте и «сухая» иммерсия). В контролируемых условиях жизнедеятельности впервые получены параметры индивидуальной и групповой вариабельности протеома мочи здорового человека. Впервые показано, что полиурия в иммерсии, близкая, по механизму развития, салурезу, сопровождается физиологической протеинурией, развивающейся одновременно с изменениями реабсорбции натрия.

Практическая значимость работы

Использованный в работе биоинформационный метод анализа результатов протеомных исследований позволил выполнить анализ огромного массива данных, выявить белки, являющиеся важными участниками физиологических процессов, и отвечающие на определенный воздействующий фактор. Проведенный анализ изменений протеомного состава мочи здорового человека во время его жизнедеятельности в гермообъекте позволил реконструировать сеть взаимодействий, обнаруженных в моче белков с физиологическими процессами, происходящими во многих тканях и органах, а также структурировать экспериментальные данные на основе существующих физиологических представлений и сформулировать перспективные гипотезы для последующей их верификации в эксперименте.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Технологическая платформа, включающая прямое масс-спектрометрическое профилирование после префракционирования мочи на магнитных частицах MB-HIC, является информативным и воспроизводимым методом анализа ее белковой композиции;

2. Изменения вариабельности протеомного профиля мочи в стандартизированных условиях (эксперимент со 105-суточной изоляцией в гермообъекте и 5-суточная «сухая» иммерсия) отражают индивидуальные особенности приспособительных реакций здоровых лиц;

3. Длительные космические экспедиции и эксперименты, моделирующие факторы космического полета, вызывают функциональные изменения белковой композиции мочи и связаны как с внешним воздействием, так и с модификациями внутренней среды организма.

Апробация работы

Основные положения работы были представлены и обсуждены на следующих конференциях:

1) VIII конференция молодых ученых специалистов и студентов, посвященная Дню космонавтики, 14 апреля, 2009, Москва;

2) Итоговая конференция по результатам выполнения мероприятий за 2009 год в рамках приоритетного направления «Живые системы» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», 25-27 ноября 2009г., Москва;

3) French-Russian-Belorussian Conference: Neurovascular impairment induced by environmental conditions: molecular, cellular and functional approach. - French-Russian conference, Angers University, France, 10-14 March 2010.;

4) IX конференция молодых ученых специалистов и студентов, посвященной Дню космонавтики, 14 апреля, 2010, Москва;

5) 31st Annual International Gravitation Physiology Meeting: Trieste, Italy, 13-18 June,

2010;

6) IV Всероссийская конференция-школа «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения», Звенигород, 2010;

7) X Конференция молодых ученых, специалистов и студентов, посвященная 50-летию со дня первого полета человека в космос. 19 апреля 2011, Москва.

8) V Российский симпозиум «Белки и пептиды», 8-12 августа 2011, Петрозаводск;

9) 2-ая Международная научно-практическая конференция "Постгеномные методы анализа в биологии, лабораторной и клинической медицине: Геномика. Протеомика. Биоинформатика", Новосибирск, 2011;

10) HUPO 2011, 10th World congress, Geneva, Switzerland, September 4 - 7, 2011;

11) Космический форум 2011, посвященный 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, 18-19 октября Звездный городок, 20-21 октября Москва;

12) Международный симпозиум, посвященный итогам выполнения проекта «МАРС-500», Москва, 23-25 апреля 2012;

13) 33th Annual International Society for Gravitational Physiology Meeting, «Life in Space for Life on Earth», Aberdeen - United Kingdom, 18-22 June, 2012;

14) Proteomic Forum, Berlin, Germany, 17-21 March, 2013.

Список публикаций по материалам диссертации

По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы, в том числе 7 статей в журналах из перечня Высшей Аттестационной Комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации.

1. Валеева О. А., Пастушкова JI. X., Пахарукова Н. А., Доброхотов И. В., Ларина И. М. Вариабельность протеома мочи здорового человека в эксперименте с 105-суточной изоляцией в гермообъекте // Физиология человека. - 2011. - Т.37. - №3. - С.98 - 102.

2. Носков В.Б., Ларина И.М., Пастушкова Л.Х., Доброхотов И.В., Валеева О.А., Купэ М., Кусто М.А., Новоселова A.M. Функционирование почек и состояние жидкостных сред организма человека в условиях 5-суточной иммерсии // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2011. - Т.45. - № 6. - С. 22 - 26.

3. Ларина И.М., Колчанов Н.А., Доброхотов И.В., Иванисенко В.А., Деменков П.С., Тийс Е.С., Валеева О.А., Пастушкова Л.Х., Николаев Е.Н. Реконструкция ассоциативных белковых сетей, связанных с процессами регуляции обмена и депонирования натрия в организме здорового человека на основе изучения протеома мочи // Физиология человека. - 2012. - Т.38. - № 3.- С.107 - 115.

4. L.Kh. Pastushkova, О.А. Valeeva, A.S. Kononikhin, E.N. Nikolaev, I.M. Larina, I.V. Dobrokhotov, I.A. Popov, V.I. Pochuev, K.S. Kireev, A.I. Grigoriev. Changes in uriñe protein composition in human organism during long term space flights // Acta Astronáutica. - 2012. -V.81 .-P.430-434.

5. Пастушкова Л.Х., Валеева O.A., Кононихин A.C., Николаев Е.Н., Попов И.А., Ларина И.М., Доброхотов И.В., Иванисенко В.А., Тийс Е.С., Колчанов Н.А. Анализ белковых взаимодействий на основе изучения протеома мочи человека в эксперименте со 105-суточной изоляцией // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2012. - Т. 46. -№2.-С. 37-43.

6. Пастушкова Л. X., Пахарукова Н. А., Новоселова Н.М., Доброхотов И. В., Валеева О.А., М.-А. Кусто, Ларина И. М. Прямое протеомное профилирование мочи и сыворотки крови человека в эксперименте с 5-суточной «сухой» иммерсией // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2012. - Т. 46. - № 4. - С. 31 - 37.

7. Пастушкова Л.Х., Валеева О.А., Кононихин А.С., Николаев Е.Н., Ларина И.М., Доброхотов И.В., Попов И.А., Почуев В.И., КиреевК.С. Изменения белковой композиции мочи человека после продолжительных орбитальных полетов // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2013. - Т. 156. - № 8. - С. 166 - 171.

Работа выполнена в лаборатории «Протеомика» ФГБУН ГНЦ РФ - ИМБП РАН в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», при поддержке программы ОБН РАН № 6006/3, грантов Президента РФ «Ведущие научные школы» № НШ-3402.2008.4 и РФФИ №№ 09-04-12225-офи_м и 10-04-93110-НЦНИЛ_а.

Структура и объём диссертации

Диссертация изложена на 115 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов исследований с обсуждением, заключения, выводов и списка литературы. Диссертация иллюстрирована 12 таблицами и 5 рисунками. Список использованной литературы содержит 39 отечественных и 170 зарубежных источников.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Физиологические аспекты мочеобразования

Формирование мочи - это одна из важнейших функций почек, которая направлена, наряду с удалением определенных продуктов жизнедеятельности, на поддержание постоянства параметров внутренней среды организма (гомеостаза). В 1909 год в своей монографии «Жидкости тела» Эрнест Н. Старлинг писал: "Функция почек заключается в поддержании постоянного состава циркулирующей жидкости, и поэтому состав мочи может изменяться в любом направлении в соответствии с характером изменений, которые осуществляются в составе организма" (цит. по McDonough A.A., 2010).

Образование мочи происходит в почечных нефронах в результате трёх процессов: фильтрации из плазмы (с образованием первичной мочи), реабсорбции электролитов, осмотически свободной воды и некоторых метаболитов и секреции в образующуюся конечную мочу электролитов и отдельных метаболитов (Ткаченко Б.И., 2005).

Процесс фильтрации воды и таких низкомолекулярных компонентов, как электролиты, продукты обмена (креатинин), р2-микроглобулин, al-микроглобулин и ретинол-связывающий белок (RBP) (Vinge L., Lees G. Е., Nielsen R. et al., 2010) из плазмы крови происходит в клубочках нефрона, являющимся основным структурным и функциональным элементом почки. Фильтрация происходит через гломерулярный барьер - важнейший компонент фильтрационного барьера почки. Впервые термин «гломерулярный барьер» был предложен в 1950-ом году для описания структуры, открытой с помощью электронной микроскопии (Jarad G., Miner J. Н., 2009).

В норме за сутки через клубочки фильтруется более 1800 литров крови. Было показано, что с возрастом фильтрационная способность почек снижается на 20 - 25% на протяжении периода с 40 до 80 лет. (Zürbig Р., Decramer S., Dakna М. et al, 2009). Морфологически гломерулярный барьер имеет трехслойную структуру и состоит из компонентов: эндотелиальных клеток капилляров, базальной мембраны (GBM) и эпителия висцерального листка капсулы, или подоцитов (Miner J. Н, 2011).

Эндотелий капилляров представляет собой слой эндотелиа