وبلاگ گروه زیست شناسی استان بوشهر

ایرانیان بعنوان پیشگامان پزشکی در دنیای قدیم به شمار می آیند وافرادی همچون محمد زکریای رازی، ابن سینا و ابوريحان بيروني نظریات ارزشمندی را در خصوص تعریف آلرژن، تولید پادتن، کسب ایمنی اکتسابی در مورد آبله وهچنین واكسيناسيون افراد هارگزيدگی مطرح کرده اند.

اما امروزه پیشرفت های بسیاری در دانش پویای ایمونولوژی رخ داده و شاخه های بسیاری در این علم سربرآورده است. یکی از نوپاترین دانش ها در ایمونولوژی که به نوعی با آینده این علم گره خورده ایمونوانفورماتیک (Immunoinformatics) یا ایمنولوژی محاسباتی (computational immunology) می باشد که حین تکمیل پروژه های ژنوم انسان و جانداران پیشرفت های شگرفی را تجربه کرده است. به منظور بحث در مورد روش ها، اساس محاسباتی، پایگاه های داده و ابزارهای در دسترس و موارد استفاده از آن ها، در ابتدا می بایست مختصری در مورد ساختار و عملکرد پاسخ ایمنی و اپی توپ ها صحبت شود.
• سیستم ایمنی و اپی توپ ها :
آنتی ژن ها بعنوان مواد بیگانه خارجی که وارد بدن می شوند قادرند سیستم ایمنی همورال و سلولی را بر علیه خودشان به طور اختصاصی تحریک کنند. لنفوسیت هایT ولنفوسیت های B تنها سلولهای هستند که توانایی شناسایی و افتراق شاخص های آنتی ژنی مختلف را به طور اختصاصی دارند و بنابراین مسئول دو مشخصه ای اصلی پاسخ ایمنی اکتسابی یعنی ویژگی و خاطره می باشند. این خصوصیات لنفوسیتها به علت داشتن گیرنده های اختصاصی در سطح غشاء سلولی (TCR برای سلول T و BCR برای سلول B) آنها می باشد. سلول T در پاسخ به پاتوژن های درون سلولی (مانند ویروس ها و باکتری ها) و سلول های سرطانی نقش مهمی دارند. درحالیکه سلول B با ترشح آنتی بادی ها به طور مستقیم و غیر مستقیم در تخریب پاتوژن های مداخله می کند.
توانایی شناخت و پیوند اختصاصی یک آنتی ژن با BCRیا TCR، مربوط به قسمت های محدودی از آنتی ژن می باشد که آن را شاخص های آنتی ژنیک یا اپی توپ می نامند. اپی توپ ها در نقاط مختلف آنتی ژن واقع شده اند و بسته به محل آنها در مولکول، نامگذاری می شوند. شاخص هایی که در زوایای مولکول آنتی ژن قرار دارند، شاخص های فضایی نامیده می شوند.
هرگاه شاخص های که در توالی های پروتئینی دور از هم قرار دارند به واسطه تاخوردگی پروتئین، از نظر فیزیکی در مجاورت یکدیگر قرار گیرند به آنها شاخص غیر پیوسته می گویند.

شاخص های فضایی و غیرپیوسته در حقیقت ساختمان سوم و چهارم مولکول پروتئین هستند که از کنار هم قرار گرفتن اسید آمینه های دور در ساختار اول پروتئین حاصل شده اند. این شاخص های به وسیله سلول های لنفوسیت B و آنتی بادی ها شناسایی می شوند.
شاخص هایی که شامل باقیمانده های مجزائی از آمینو اسیدها در درون توالی پرتئین بوده و در سطح صاف مولکول هستند، اپی توپ های خطی نامیده می شوند. اپی توپ های خطی به وسیله هردوی سلول لنفوسیت B و T ) MHC کلاس I و (II شناسایی می شوند. قابل توجه است که شاخص های فضایی فقط به وسیله سلول های B شناسایی می شوند.
از آنجائیکه شاخص های شکلی در اطراف مولکول آنتی ژن قرار دارند و در حقیقت تصویری از ساختمان سه بعدی مولکول هستند. و از طرف دیگر، علیه شاخص های ردیفی و نهفته یک مولکول، بیشتر واکنش ایمنی سلولی یا ازدیاد حساسیت تاخیری صورت می گیرد. شاخص های فضایی قدرت ایمنی زایی بیشتری نسبت به سایر اپی توپ های یک آنتی ژن داشته وسبب تولید آنتی بادی بیشتری نیز می شوند (Immunodominant می باشند).
به طور کلی، هر اپی توپ، یک زیر دسته خاص از لنفوسیت های B cell ، T cell کمکی یا T cell مهار کننده را تحریک می کند. بنابراین واکنش ایمنی علیه یک آنتی ژن در حقیقت برآیند جمع جبری واکنش ایمنی لنفوسیت های مختلف علیه اپی توپ های آن آنتی ژن است .
پیشگویی اپی توپ ها انگیزه ویژه ای را در محققین علوم پایه و بالینی پزشکی برانگیخته اند، بدین سبب که پتانسیل وسیعی برای طراحی واکسن، پیشگیری از بیماری ها، تشخیص و درمان را میسر می کند. پیشرفت واکسن ها در گذشته انحصارا متکی بر تجربیات ایمنی شناسی و بیوشیمی نظیر روش های کتابخانه نمایش فاژی، پپتیدهای همپوشان، الایزا، NMR، ایمونوفلورسانس، رادیوایمونواسی، وسترن بلات، ایمونوهیستوشیمی، مطالعات کریستالوگرافی اشعه X ساختار آنتی بادی- آنتی ژن و توجه به پاتوژن های وحشی با ایجاد جهش های تصادفی و پاساژ های پی در پی بوده است، که معایب آنها گرانی، زمان بری، ایمونوژنیسیته پائین فرآورده و احتمال برگشت پذیری به حالت پاتوژن حاد می باشد. با کمک برنامه ها و پایگاه های داده پیشگویی اپی توپ، ما قادریم بر روی پروتئین ایمونوژن مورد نظر خود تمرکز کنیم و به طور قابل توجهی از تعداد آزمایشهای in vitro بکاهیم.

• مفهوم ایمونوانفورماتیک :
با شکوفایی یافته های ایمونولوژی در مقالات علمی که به سبب استفاده از فنون تجربی در طی زمان حاصل گردیده بود، مقدار وسیعی از اطلاعات عملکردی، بالینی و اپیدمیولوژیکی بدست آمد. در این میان توسعه رهیافت های جدید محاسباتی جهت ذخیره و آنالیز این اطلاعات امری ضروری به نظر می رسید، لذا محققان به طور روز افزونی به سمت استفاده از قابلیت های منابع و نرم افزارهای بیوانفورماتیکی در برخی از حوزه های ایمنی شناسی، جهت یافتن آگهی، افزایش کیفیت و کارایی تحقیقات خود روی آوردند.
به منظور شناسایی دقیق شاخص های آنتی ژنتیک نیاز به بدست آوردن پروتئین مورد نظر از ارگانیسم و شناخت مناسب قطعات پپتیدی بدست آمده از آن و آزمایش بر روی آنها جهت شناسایی فعالیت ایمنی زایی می باشد. این چنین مطالعاتی طاقت فرسا، زمان بر و پر هزینه بوده، بنابراین تلاش و توجه محققین به سمت توسعه روش های سریعتر نظیر پیشگویی، مبتنی بر توالی آمینو اسید پروتئین مورد بررسی، می باشد.
در سالهای اخیرایمونوانفورماتیک یا ایمونولوژی محاسباتی به طور وسیعی به عنوان رهیافت قدرتمندی جهت آنالیز، مدل سازی و پیشگویی عملکرد سیستم ایمنی در دو حالت سلامتی و بیماری مورد توجه قرار گرفته است .
خصوصا این که سبب تسهیل توسعه واکسن های نوین مبتنی بر داده های ژنومیک و پرتئومیک شده است . این چنین واکسن هایی، به خصوص آنهایی که بر علیه بیماری هایی عفونی هستند ((بیماریهای که سبب ابتلا و مرگ گروه زیادی در تمام جهان می شوند)) حائز اهمیت استراتژیک از نظر سلامتی جهانی می باشند.
پیشگویی اپی توپ های با ایمونوژنسیته بالا همچنان به عنوان یک امر حیاتی و چالش برانگیز در بیوانفورماتیک خودنمایی می کند. پیچیدگی ذاتی شناسایی آنتی ژن، پیشگویی اپی توپ را مشکل می کند از این رو الگوریتم های متنوعی جهت پیشگویی اپی توپ ها طراحی شده اند.
با در دست داشتن اطلاعات کافی، دسترسی به تکنولوژی های جدید شناسایی، الگوریتم های طبقه بندی شده و ابزارهای محاسبه ای که مناطق با آنتی ژنسیتی بالا را در پروتئین پیش بینی می کنند تقریبا می توان با احتمال بالائی نواحی ایمونوژنیک را در پروتئین شناسایی کرد.
نقشه یابی پتانسیل اپی توپ های سلول B و T این امکان را به ایمنی شناس می دهد که ژنوم پاتوژن را جهت بررسی پروتئین های آنتی ژنیک مورد پایش و آنالیز قرار دهد و از هزینه ها و زمان می کاهد که این روش به واکسیناسیون معکوس معروف می باشد.
این روش طراحی چون نیاز به کشت پاتوژن و سپس استخراج پروتئین های آنتی ژنیک را با روش های مرسوم محدود می کند، با اهمیت می باشد. برخی از حوزه های تحقیقات ایمونوانفورماتیک، ایمونوژنومیکس، ایمونوپرتئومیکس، پیشگویی اپی توپ ها و واکسیناسیون in silico، شناسایی ژن های حدت، پروتئین هایی مستقر در سطوح، آلرژن ها، ساخت پایگاه داده ایمنی شناسی و مدل سازی پاسخ سیستم ایمنی و شبیه سازی آزمایشات آزمایشگاهی قلمروهای متفاوت علم ایمونوانفورماتیک می باشند. اخیرا نیز رهیافت های زیست شناسی سیستماتیک به منظور بررسی خصوصیت رفتار پویای سیستم ایمنی جهت گیری کرده اند.

• ایمونومیکس(Immunomics) یا یکپارچکی ایمونوژنومیک و ایمونوپروتئومیک :
واژه ایمونوژنومیک نیز به معنی بررسی ژنهای مرتبط با سیستم ایمنی و واژه ایمونوپروتئومیک به معنی بررسی پروتئینهای مرتبط با سیستم ایمنی می باشند که با وحدت آنها اصطلاح ایمونومیکس شکل می گیرد که به معنی بررسی همه ژنها و پروتئین های سهیم در پاسخ ایمنی می باشند. این معنی ژن ها و پروتئین که در انواع سلول های غیر از سلول های ایمنی بیان می شوند، را جدا می کند.
در واقع همه واکنش های ایمنی که ناشی از واکنش های میان میزبان و پپتیدهای آنتی ژنیک هستند به عنوان واکنش های ایمونومه (Immunome reactions) تلقی می شوند و مطالعه آنها تحت عنوان کلی ایمونومیکس قرار می گیرد. این دانش نوین سبب ایجاد پلی میان انفورماتیک، ژنومیکس، پرتئومیکس، ایمونولوژی و پزشکی بالینی شده است و یک سازماندهی نوین است که از فنون با ظرفیت بالا جهت فهم مکانیسم سیستم ایمنی استفاده می کند .
ژنومیکس و پرتئومیکس هر دو به عنوان دو زمینه ای مستقل تحقیقاتی و پیشرفت رشد کرده اند و ایمونومیکس به طور نهفته و به صورت حمایتی در لوای این تلاش ها باقی مانده است. شاید بخشی از این مسئله به دلیل این موضوع باشد که بسیاری از ایمنی شناسان رهیافت های سنتی را جهت حل مشکلات زیست شناسی ترجیح می دهند و اعتقاد دارند که نتایج دستی به نحوی با اهمیت تر از تکنیک های in silico می باشند. علی رغم نقصان نسبی ابزارهای موجود، پیشرفت ها در محدوده طراحی واکسن سبب پیشرفت های اولیه چشمگیری در این زمینه شده است .
از زمانی که که ابزارهای ایمونوانفورماتیک شروع به رشد و همچنین اختیار و سازگاری وسیع تری پیدا کردند، فرصت های بی شماری برای به کارگیری از این تکنیک ها در حل مشکلات همچون پروتئین درمانی، خودایمنی، پیوند، سرطان و آلرژی پیدا شده است.

منبع: http://drugdesign.ir/index.php/j-blog/147-immunoinformatics1