التفاعل البشري

يُعرَّف التفاعل البروتيني البشري بأنه مجموعة التفاعلات بين البروتينات ( التفاعل البروتيني ) التي تحدث في الخلايا البشرية. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وقد أحدث تسلسل الجينومات المرجعية، ولا سيما مشروع الجينوم البشري ، ثورةً في علم الوراثة البشرية ، وعلم الأحياء الجزيئي ، والطب السريري . أدت نتائج دراسات الارتباط على مستوى الجينوم إلى ربط الجينات بمعظم الاضطرابات المندلية ، ^{[ 3 ]} كما تم ربط أكثر من 140,000 طفرة وراثية بمرض وراثي واحد على الأقل. ^{[ 4 ]} ومع ذلك، فقد اتضح أن هذه الدراسات تركز بشكل أساسي على النتائج السريرية بدلاً من الفهم الشامل للأمراض البشرية؛ ففي الواقع، اقتصرت أهم مساهمات دراسات الارتباط على مستوى الجينوم حتى الآن على الاضطرابات الناتجة عن طفرات مفردة مباشرة، مما دفع إلى اتباع نهج بيولوجيا الأنظمة في التحليل الجينومي. ^{[ 5 ] [ 6 ]} لا تزال العلاقة بين النمط الجيني والنمط الظاهري (كيف يؤثر التباين في النمط الجيني على المرض أو الأداء الطبيعي للخلية وجسم الإنسان) غير واضحة، لا سيما في سياق الصفات المعقدة متعددة الجينات والسرطان. ^{[ 7 ]} ولتحديد السياق الوظيفي للتغيرات الجينية، كُرِّست جهود بحثية حديثة كثيرة لرسم خرائط الشبكات التي تتشكل من تفاعلات المكونات الخلوية والوراثية في البشر، وكذلك كيفية تغير هذه الشبكات بفعل الأمراض الوراثية والجسدية.

مع تسلسل جينومات مجموعة متنوعة من الكائنات النموذجية، اتضح أن عدد الجينات لا يرتبط بإدراك الإنسان لتعقيد الكائن الحي النسبي؛ إذ يحتوي البروتينوم البشري على حوالي 20000 جين، ^{[ 8 ]} وهو عدد أقل من بعض الأنواع مثل الذرة. ويُقدّر النهج الإحصائي لحساب عدد التفاعلات في البشر بحوالي 650000، أي أكبر بعشر مرات من ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) وثلاث مرات من دودة السي إيليغانس (C. elegans) . ^{[ 2 ]} اعتبارًا من عام 2008، لم يتم تحديد سوى أقل من 0.3% من جميع التفاعلات المقدرة بين البروتينات البشرية، ^{[ 9 ]} على الرغم من النمو الهائل في الاكتشافات في السنوات الأخيرة - اعتبارًا من عام 2015، ^{[ 10 ]} تم فهرسة أكثر من 210000 تفاعل بروتين-بروتين بشري إيجابي فريد، وتحتوي قاعدة بيانات bioGRID على ما يقرب من 750000 تفاعل بروتين-بروتين موثق من الأدبيات لـ 30 كائنًا نموذجيًا، منها 300000 تفاعل بروتين-بروتين بشري فيزيائي أو جيني تم التحقق منه أو التنبؤ به، بزيادة قدرها 50% عن عام 2013. ^{[ 11 ]} تنشأ المعلومات المتاحة حاليًا حول شبكة التفاعلات البشرية إما من التفاعلات الموثقة من الأدبيات، ^{[ 12 ] أو} التجارب عالية الإنتاجية ، ^{[ 10 ]} أو من التفاعلات المحتملة المتوقعة من بيانات التفاعلات، سواء من خلال التنميط الوراثي (التشابه التطوري)، أو استنتاج الشبكة الإحصائية، ^{[ 13 ]} أو أساليب استخراج النصوص/الأدبيات. ^{[ 14 ]}

تُعدّ تفاعلات البروتين-بروتين المادة الخام الوحيدة لبناء الشبكات. ولتكوين قواعد بيانات تفاعلية مفيدة وإنشاء شبكات متكاملة، يمكن دمج أنواع أخرى من البيانات مع تفاعلات البروتين-بروتين، بما في ذلك معلومات عن التعبير الجيني والتعبير المشترك، والتموضع الخلوي المشترك للبروتينات (استنادًا إلى المجهر )، والمعلومات الوراثية، ومسارات الأيض والإشارات الخلوية ، وغيرها. ^{[ 15 ]} والهدف النهائي من كشف تفاعلات البروتينات البشرية هو فهم آليات الأمراض والكشف عن جينات مرضية غير معروفة سابقًا. وقد وُجد أن البروتينات ذات العدد الكبير من التفاعلات (الحواف الخارجية) هي أكثر عرضةً لأن تكون محاور في وحدات ترتبط بالمرض، ^{[ 10 ] [ 16 ]} ربما لأن البروتينات ذات التفاعلات الأكثر تشارك في وظائف بيولوجية أكثر. ومن خلال ربط التغيرات المرضية بالتفاعلات البشرية، يمكننا اكتساب فهم أفضل بكثير لمسارات وعمليات المرض البيولوجية. ^{[ 17 ]}

يعود تاريخ تحليل الشبكات الأيضية للبروتينات إلى أربعينيات القرن العشرين، ولكن لم تظهر التحليلات الجينومية الحاسوبية القائمة على البيانات للتنبؤ بالسياق الوظيفي وشبكات الارتباطات الجينية بشكل جدي إلا في أواخر تسعينيات القرن العشرين وأوائل الألفية الثانية. ^{[ 8 ]} ومنذ ذلك الحين، يُعتبر أن تفاعلات العديد من الكائنات النموذجية قد تم توصيفها بشكل جيد، ولا سيما تفاعلات الخميرة Saccharomyces cerevisiae ^{[ 18 ]} وتفاعلات ذبابة الفاكهة Drosophila . ^{[ 19 ]}

تعتمد الأساليب التجريبية عالية الإنتاجية لاكتشاف تفاعلات البروتين-بروتين عادةً على نسخة من أسلوب الفحص الثنائي الهجين أو تنقية التقارب الترادفي متبوعةً بقياس الطيف الكتلي . ^{[ 12 ]} تُجمع المعلومات المستقاة من التجارب والمراجع العلمية في قواعد بيانات لتفاعلات البروتين، مثل DIP، ^{[ 20 ]} و BioGRID . ^{[ 11 ]} أما مشروع HINT-KB الأحدث، ^{[ 10 ]} فيسعى إلى دمج معظم قواعد بيانات تفاعلات البروتين-بروتين الحالية، مع استبعاد التفاعلات الخاطئة بشكل منهجي، بالإضافة إلى محاولة تصحيح التحيزات الاجتماعية الكامنة في عينات البيانات المُجمعة من المراجع العلمية.

وُصفت شبكات تفاعلية بشرية أصغر حجمًا في سياق محدد لمحركات مهمة للعديد من الاضطرابات المختلفة، بما في ذلك الاضطرابات التنكسية العصبية ^{[ 21 ]} ، والتوحد واضطرابات نفسية أخرى ^{[ 22 ]} ، والسرطان. وقد حظيت شبكات جينات السرطان بدراسة مستفيضة، ويعود ذلك جزئيًا إلى مبادرات الجينوم الكبيرة مثل مشروع أطلس جينوم السرطان (TCGA) ^{[ 23 ]} . وتم رسم خريطة لجزء كبير من المشهد الطفري، بما في ذلك عدم التجانس داخل الورم، لمعظم أنواع السرطان الشائعة ^{[ 24 ]} (على سبيل المثال، دُرِس سرطان الثدي جيدًا) ^{[ 25 ]} ، كما بحثت العديد من الدراسات الفرق بين الجينات المحركة النشطة والطفرات المصاحبة السلبية في سياق شبكات تفاعل السرطان ^{[ 16 ] .}

بدأت المحاولات الأولى لرسم خرائط تفاعلات البروتينات البشرية المتكاملة على نطاق واسع حوالي عام 2005. استخدم ستيتزل وآخرون ^{[ 26 ]} مصفوفة بروتينية تضم 4500 بروتينًا متفاعلًا و5600 بروتينًا مستهدفًا في نظام هجين ثنائي الخميرة لتجميع خريطة التفاعلات، وأجرى روال وآخرون دراسة مماثلة باستخدام نظام هجين ثنائي الخميرة، تم التحقق منها من خلال تنقية التقارب المشترك والربط مع سمات بيولوجية أخرى، وكشفت عن أكثر من 300 ارتباط بـ 100 بروتين مرتبط بالأمراض. ^{[ 12 ]} ومنذ تلك الجهود الرائدة، أُجريت مئات الدراسات المماثلة. توفر قواعد البيانات المُجمّعة، مثل UniHI ^{[ 27 ]،} منصةً لإدخال البيانات بشكل فردي. أجرى فوتشيك وآخرون ^{[ 28 ]} تحليلًا تجميعيًا لثماني خرائط تفاعلات، ووجدوا أنه من بين 57000 بروتين متفاعل إجمالًا، كان هناك تداخل صغير (وإن كان ذا دلالة إحصائية ) بين قواعد البيانات المختلفة، مما يشير إلى تحيزات كبيرة في الاختيار والكشف.

في عام 2010، وُصفت حوالي 130 ألف تفاعل ثنائي في شبكة التفاعلات البروتينية (Interectome) في قواعد البيانات الأكثر شيوعًا، ولكن تم التحقق من العديد منها باستخدام مصدر واحد فقط. ^{[ 15 ]} مع التطور السريع لأساليب الإنتاجية العالية، لا تزال مجموعات البيانات تعاني من ارتفاع معدلات النتائج الإيجابية الخاطئة وانخفاض تغطية شبكة التفاعلات البروتينية. وصف تياجي وآخرون ^{[ 29 ]} إطار عمل جديدًا لدمج المركبات الهيكلية وواجهات الارتباط للتحقق. كان هذا جزءًا من جهود أكبر بكثير للتحقق من تفاعلات البروتين-بروتين؛ حيث يتم عادةً التحقق من صحة شبكات التفاعل بشكل أكبر باستخدام مزيج من ملفات تعريف التعبير المشترك ، ومعلومات بنية البروتين، ومصطلحات علم الجينات ، والاعتبارات الطوبولوجية ، والتوطين المشترك ^{[ 26 ] [ 30 ]} قبل اعتبارها "عالية الموثوقية".

حاولت ورقة بحثية حديثة (نوفمبر 2014) ^{[ 17 ]} تقديم خريطة أكثر شمولاً على مستوى البروتينات لشبكة التفاعلات البروتينية البشرية. وقد كشفت هذه الورقة عن مناطق شاسعة غير مكتشفة في شبكة التفاعلات البروتينية البشرية، واستخدمت أساليب متنوعة لبناء خريطة جديدة للتفاعلات البروتينية مع تصحيح تحيز التنسيق، بما في ذلك فحص جميع التوليفات الثنائية لـ 13000 منتج بروتيني بحثًا عن التفاعل باستخدام تقنية التفاعل الثنائي في الخميرة وتقنية تنقية التقارب المشترك، وذلك في جهد منسق ضخم عبر مختبرات بحثية في كندا والولايات المتحدة. ومع ذلك، لا يزال هذا يمثل تأكيدًا لجزء صغير فقط من التفاعلات المتوقعة - حوالي 30000 تفاعل بدرجة عالية من الثقة. وعلى الرغم من الجهود المنسقة للعديد من الجهات، لا تزال شبكة التفاعلات البروتينية البشرية قيد التطوير. ^{[ 17 ] [ 30 ]}

• التنبؤ بتفاعلات البروتين-البروتين
• مشروع البروتينوم البشري
• علم الأحياء النظمي للسرطان
• شبكة تنظيم الجينات