Интеракто́м () — термин молекулярной биологии, обозначающий полный набор взаимодействий между молекулами в отдельной клетке. Интерактом включает как непосредственные физические контакты между белками (белок-белковые взаимодействия), так и непрямые взаимодействия генов (например, эпистаз).
Слово «интерактом» было изначально придумано в 1999 году группой французских ученых во главе с Бернаром Жаком. С математической точки зрения интерактомы чаще всего представляются как графы.
Интеракто́мика () — дисциплина, которая занимается изучением взаимодействий и последствий этих взаимодействий между белками и другими молекулами внутри клетки. Таким образом, целью интерактомики является сравнение сетей взаимодействий (то есть интерактомов) у различных видов или внутри одного вида, для того чтобы узнать, какие черты таких сетей сохранились или изменились. Интерактомику можно рассматривать как пример подхода «сверху вниз» в системной биологии, который позволяет взглянуть на организм или биосистему в целом. Специалистами в области интерактомики собраны большие наборы полногеномных и протеомных данных и определены корреляции между молекулами. Из этой информации формулируются новые гипотезы об ответных реакциях этих молекул, которые могут быть проверены в новых экспериментах.
Сети молекулярных и генетических взаимодействий Молекулярные взаимодействия могут появляться между молекулами различных групп биохимических веществ (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы), а также в пределах одной группы. В случае, когда такие молекулы физически связаны, они образуют сети молекулярных взаимодействий, которые обычно классифицируются согласно природе вовлеченных соединений.
Чаще всего термин «интерактом» относится к сетям белок-белковых взаимодействий или к их подмножествам. Например, интерактом белка Sirt-1 — это сеть, включающая Sirt-1 и белки, напрямую взаимодействующие с ним, а интерактом второго порядка семейства Sirt также иллюстрирует взаимодействия между соседями соседей. Другой широко изученный тип интерактома — ДНК-белковый интерактом (также называемый генно-регуляторной сетью) — это сеть, образованная транскрипционными факторами, белками, регулирующими хроматин, и их генами-мишенями. Даже метаболические сети могут рассматриваться как сети молекулярных взаимодействий: метаболиты, то есть химические компоненты клетки превращаются друг в друга с помощью ферментов, которые должны физически связаться со своими субстратами.
Все типы интерактомов взаимосвязаны и перекрываются. Например, белковые интерактомы содержат много ферментов, которые в свою очередь формируют биохимические сети. Подобным же образом ген-регуляторные сети пересекаются с сетями белковых взаимодействий и с сигнальными сетями.
Высказывалось предположение, что размер интерактома организма коррелирует с биологической сложностью организма лучше, чем размер генома. Однако карты белок-белковых взаимодействий, содержащие несколько тысяч бинарных взаимодействий и доступные для нескольких видов, пополняются с каждым годом и, по-видимому, окончательно не завершены, поэтому это предположение ещё может быть опровергнуто.
Интерактом дрожжей Saccharomyces cerevisiae, включающий все белок-белковые взаимодействия, по оценкам содержит между 10 и 30 тысячами взаимодействий. Наиболее правдоподобной кажется оценка порядка 20 тысяч взаимодействий. Обычно завышенные оценки получаются при рассмотрении непрямых или предсказанных взаимодействий, часто при использовании комбинации методов аффинной хроматографии и масс-спектрометрии.
Гены взаимодействуют таким образом, что они влияют на функции друг друга. Например, одиночная мутация может быть безвредна, однако её комбинация с другой мутацией может оказаться летальной. О таких генах говорят, что они «генетически взаимодействуют». Гены, связанные таким образом, формируют сети генетических взаимодействий. Цели изучения этих сетей включают развитие функциональных карт процессов в клетке, идентификацию мишеней лекарств и предсказание функций неохарактеризованных генов.
В 2010 году наиболее полный из существующих на тот момент интерактомов генетических взаимодействий для дрожжей был основан на 5,4 млн попарных сравнений генов, описывал взаимодействие 75 % всех генов и включал около 170 тысяч взаимодействий. Эти гены были сгруппированы на основе схожести функций для построения функциональной карты клеточных процессов. С помощью этого метода стало возможным предсказание известных генетических функций лучше, чем при помощи любых других геномных данных, а также добавление функциональной информации о ранее не аннотированных генах. При использовании этой модели генетические взаимодействия могут рассматриваться на разных уровнях, что поможет в изучении консервативности генов. В ходе исследования было замечено, что отрицательных взаимодействий вдвое больше, чем положительных, и они более информативны для предсказания физических взаимодействий белковых продуктов генов, а также одинаковой пары генов терминами генной онтологии. Более того, гены с большим количеством взаимодействий в случае повреждения с большей вероятностью приведут к летальному исходу.
Экспериментальные методы создания интерактомов Основной элемент белковой сети — белок-белковое взаимодействие. В то время как существует множество методов исследования белок-белковых взаимодействий, обычно при создании интерактомов применяются только немногие из них, подходящие для крупномасштабных высокопроизводительных экспериментов.
Дрожжевая двугибридная система используется для определения бинарных прямых физических взаимодействий между двумя белками. Кратко, метод заключается в том, чтобы проанализировать взаимодействие белков in vivo в дрожжах путем связывания интересующих белков A и B с разделенными ДНК-связывающим и ДНК-активационным доменами некоторого активатора транскрипции (например, Gal4), соответственно. Конструкция «белок A + ДНК-связывающий домен» называется наживкой (), а конструкция «белок B + активационный домен» называется жертвой (). Если белки A и B взаимодействуют, то из двух фрагментов собирается функциональный активатор транскрипции, который запускает транскрипцию репортерного гена (например, вырабатывающего некий флуоресцентный белок), иначе репортерный ген не транскрибируется и сигнал не наблюдается.
Плюсы метода в том, что он достаточно прост, не требует специального оборудования, проводится в эукариотических клетках in vivo и может применяться для целых , что делает дрожжевую двугибридную систему широко распространенным подходом для построения интерактомов.
Однако дрожжевая двугибридная система зачастую дает ложноположительные и ложноотрицательные результаты: Ложноположительные срабатывания могут иметь разную природу и зависят от типа системы. Среди причин ложноположительных результатов может быть случай, когда белки способны взаимодействовать физически, но при этом в живом организме обычно этого не делают, потому что находятся в разных местах клетки, или вообще синтезируются в разных типах клеток. Также ложноположительность может быть вызвана взаимодействием белка-жертвы с репортерным белком. Часто в интерактомах встречаются «липкие» белки, которые способны неспецифически взаимодействовать с большим числом разнообразных белков (такими «липкими» белками могут быть, например, некорректно свернутые или неструктурированные белки), однако в реальной клетке, скорее всего, эти белки не могут взаимодействовать сразу со всеми партнерами и, вероятно, найденные взаимодействия в действительности неспецифичны. Ложноотрицательные срабатывания также могут объясняться несколькими причинами. В классической системе с Gal4 сложно обнаружить взаимодействия мембранных белков. Также связь между двумя белками может быть несимметрична, и результат эксперимента будет зависеть от того, какой белок входит в наживку, а какой в жертву. Ещё одной причиной ложноотрицательного ответа может быть тот факт, что настоящее взаимодействие белков не в контексте дрожжевой двугибридной системы может быть вызвано посттрансляционными модификациями, а в условиях эксперимента этих модификаций нет, или же в эксперименте белки не могут правильно свернуться для формирования правильного контакта. Наконец, при ПЦР для создания конструкций белок-наживка и белок-жертва могут возникать ошибки и мутации в получаемых белках, которые могут препятствовать взаимодействию.
Другой частоиспользуемый способ определения взаимодействия белков — ко-иммунопреципитация () с последующей масс-спектрометрией. Ко-иммунопреципитация — частный случай аффинной хроматографии. Она позволяет определить белковые комплексы, из которых можно построить интерактом (так называемые co-complex networks или co-complex connections). Метод заключается в выполнении следующего неформального алгоритма: Сделать лизис клеток при помощи неионного денатуранта; Добавить в лизат специфические антитела, которые связываются с интересующими исследователей белками; Удалить не связанные с антителами белки; Остаток проанализировать при помощи масс-спектрометрии. Если связь между белками A и B есть, то при масс-спектрометрии в образец помимо связанного с антителом белка A попадет и связанный с белком A белок B.
Плюсы технологии в том, что исследуемые белки находятся в естественной конформации во время опыта, и в ходе эксперимента взаимодействие между белками не должно нарушаться. Однако ко-иммунопреципитация может не детектировать слабое взаимодействие или отличить прямое взаимодействие от непрямого (при участии белков-посредников, чье присутствие не может быть исключено в этом методе).
Оба метода могут использоваться в высокопроизводительных экспериментах. Комбинация ко-иммунопреципитации и масс-спектрометрии не имеет таких проблем с ложноположительными и ложноотрицательными срабатываниями, как дрожжевая двугибридная система, и используются в качестве золотого стандарта. В целом, двугибридная дрожжевая система лучше показывает неспецифические физические взаимодействия, в то время как метод ко-иммунопреципитации с масс-спектрометрией лучше детектирует функциональные белок-белковые взаимодействия in vivo.
Изучение интерактомов различных видов живых организмов
Вирусные интерактомы Белковые вирусные интерактомы содержат взаимодействия между белками вирусов или фагов. Эти интерактомы изучались одними из первых, поскольку геномы вирусов и фагов невелики и все белки могу быть проанализированы с небольшими затратами. Вирусные интерактомы связаны с интерактомами их хозяев, формируя сети взаимодействий вируса и хозяина. Некоторые опубликованные вирусные интерактомы включают:
Бактериофаги Escherichia coli бактериофаг лямбда; Escherichia coli ; Streptococcus pneumoniae бактериофаг Dp-1; Streptococcus pneumonia бактериофаг Cp-1.
Вирусы человека (млекопитающих) Вирус ветряной оспы человека (VZV); ; Вирус Эпштейна-Барр (EBV); Вирус гепатита C (HPC); (HEV); Вирус простого герпеса первого типа (HSV-1); Герпесвирус, ассоциированный с саркомой Капоши (KSHV); Цитомегаловирус мыши (mCMV).
Бактериальные интерактомы Лишь для немногих бактерий были проведены исследования белок-белковых взаимодействий, однако ни один из полученных бактериальных интерактомов не является полным. Предположительно, ни один из них не покрывает больше, чем 20—30 % всех взаимодействий, в основном из-за того, что проведенные исследования включали только один метод, позволяющий детектировать лишь некоторое подмножество всех взаимодействий. Среди опубликованных бактериальных интерактомов представлены следующие: ВидКоличество белковКоличество взаимодействийМетодИсточникиHelicobacter pylori15533004Y2H162311 687Y2HTreponema pallidum10403649Y2HEscherichia coli42885993AP/MSEscherichia coli42882234Y2H67523121Y2HMycobacterium tuberculosis3959более 8000B2HMycoplasma pneumoniae41110 083AP/MSSynechocystis sp. PCC680332643236Y2HStaphylococcus aureus (MRSA)265613 219AP/MS