В белковых картах указаны причины заболеваний. Новая научная дисциплина интерактомика. Синдромом Ритчера-Шинцеля.

В белковых картах указаны причины заболеваний. Часть 1.

В белковых картах указаны причины заболеваний. Часть 1.
В белковых картах указаны причины заболеваний.
Марисса Фессенден
 
 
    В 1987г исследователи из Швейцарии рассказали о двух сестрах, которые не были близнецами, но имели аналогичные аномалии. Отсутствовал локон ткани в мозжечке. В их сердцах были дыры и щели. Одна умерла в возрасте трех лет после операции на сердце; ее сестра перенесла аналогичную операцию в возрасте четырех лет, но выжила. Поскольку ни у одного из родителей девочек не было этих аномалий исследователи пришли к выводу, что их дочери унаследовали две копии атипичного гена, что привело к ранее неизвестному синдрому(1).
    Скремблированные нуклеотиды ответственные за состояние девочек могут находиться в одном гене. Однако несколько других генов впоследствии были связаны с тем, что было названо синдромом Ритчера-Шинцеля. Функции этих генов и то как они связаны с синдромом остаются загадкой в течение многих лет.
   Сегодня эти молекулярные основы находятся в центре внимания благодаря систематическому изучению белково-белковых взаимодействий, дисциплине, называемой интерактомикой*. Путем сопоставления сети связей между белками три исследовательские группы самостоятельно обнаружили комплекс под названием Commander, который состоит из белков продуцируемых мутантными генами(2). Commander является важным компонентом клетки, который сортирует и поставляет белки и его неисправность вызывает разрушительные дефекты синдрома Ритчера-Шинцеля.
   Белки и другие биомолекулы редко работают в одиночку; они неожиданно сталкиваются друг с другом в мимолетных взаимодействиях или объединяются вместе, чтобы сформировать сложные клеточные машины. Только благодаря такому партнерству белки выполняют свои многочисленные функции. Нарушения в этих взаимодействиях могут повлиять на здоровье человека.
   «Если вы нарушаете ген кодирующий белок, который входит в комплекс, то этот комплекс является некорректным и это приводит к возникновению состояния или заболевания», — говорит Эдвард Маркот, системный биолог из Техасского университета в Остине.
    Биохимики давно изучили способы взаимодействия одного или нескольких белков с другими. Но теперь они разрабатывают инструменты для построения более полных наборов белково-белковых взаимодействий на уровнях от органеллы  до целого организма. Эти взаимодействия обычно выглядят как плотные звездообразования с белковыми точками или узлами соединенными между собой. Отдельные кластеры взаимосвязанных белков, которые появляются из этих сетей могут представлять собой ключевые комплексы имеющие коллективные функции или, как в случае синдрома Ритчера-Шинцеля, дают ключ к корням болезни.
   За последние три года исследовательские группы опубликовали первые высококачественные белковые карты (3, 4, 5, 6). Вместе самые последние обновления этих карт выявили около 93 000 уникальных белково-белковых взаимодействий.
   Технологии, лежащие в основе этих карт не новы; исследования белковых взаимодействии относится к 1990-м годам и  исследователи составляют  картыинтерактома* с  начала 2000-х годов. Но методологические усовершенствования, а также достижения в области очистки белков, масс-спектрометрии и методов редактирования генов позволили  исследовать взаимодействие белков и его влияние на развитие организма и болезни с еще большей точностью.
    Это непросто: захват всех взаимодействий является проблемой поскольку набор партнеров по белкам различается в разных тканях, клетках и даже во времени. Взаимодействие — это динамическое разбиение и формирование связей, когда клетка реагирует на окружающую среду. Окончательное картографирование может потребовать новых методов и способов мышления о системной биологии.
   Тем не менее есть результаты. «Новые машины, которые являются вездесущими, но глубоко недооцениваемыми — это фундаментальная биология, выходящая из карт», — говорит Маркотт. «Мы  прошли критический порог».

 
Игра чисел.

   Существует два подхода к построению карт взаимодействия. Тесты на двугибридной  дрожжевой системе* для прямого взаимодействия между белковыми парами путем сочетания экспрессии гена с белковыми взаимодействиями в клетке. Второй подход отображает как прямые, так и косвенные белковые контакты путем выделения комплексов с антителами и идентификации их составных частей с масс-спектрометрией.
    В лаборатории Маркотта используется вариант второго подхода, который включает биохимическое разделение белков — например, с использованием градиентов плотности сахарозы — чтобы увидеть, какие молекулы имеют тенденцию оставаться вместе.
    Полученные карты позволили Маркотту и Анне Маллам, докторанту в своей лаборатории, сделать выводы о клеточной роли Commander. Предыдущие исследования показали, что два компонента были структурно подобны белкам, которые строят и поддерживают эукариотические волосковые структуры, называемые ресничками и жгутиками; другие компоненты, по-видимому, перемещают белки через мембраны. Эти  и другие данные свидетельствуют о том, что Commander перемещает определенные белки из клеточной мембраны в отсек под названием аппарат Гольджи, где они перерабатываются.
    Самые большие карты охватывают тысячи белков, напоминающих больше запутанные шарики чем звездообразования. Но распутывая их исследователи идентифицировали метки которые отличают гены вызывающие рак от «нормальных» и определяют ключевые биологические процессы, такие как сегрегация хромосом во время деления клеток.
   Даже с несколькими подходами  карты взаимодействия «по-прежнему в значительной степени неполны», говорит вычислительный биолог Катя Лак в Институте рака Дана-Фарбера в Бостоне, штат Массачусетс. Это вопрос чисел. Геном человека содержит около 20 000 белок-кодирующих генов. Если предположить, что каждый белок имеет только одну форму — сильно упрощая — существует приблизительно 200 миллионов возможных взаимодействий. Действительное число будет намного меньше, потому что многие взаимодействия косвенны; оценки для взаимодействия «один к одному» варьируются от 120 000 до 1 миллиона.
   Белки невероятно разнообразны и их взаимодействия не могут быть зафиксированы в каждом анализе одинаково. Мембранно-белковые взаимодействия, например, трудно изучать, потому что когда мембрану удаляют их форма и поведение изменяются; они могут не связываться со своими типичными партнерами. Но степень до которой эта незавершенность изменяет текущие карты пока не ясна. «Мы только начинаем понимать направления для различных методов» — говорит Лак.
   Будучи докторантом-исследователем в лаборатории генетика Марка Видаля, Лак помог внедрить протоколы для устранения ошибок в их двугибридном подходе. Основной метод восходит к 1989г. «Мы просто делаем некоторые настройки, чтобы сделать их лучше», — говорит она. Помечая белковые гены метками, команда может тестировать более одного взаимодействия за раз в большом количестве растущих дрожжей. Строгое внимание к деталям, автоматизация ключевых шагов и секвенирование позволили выявить более 60 000 взаимодействий, большинство из которых были ранее неизвестны.
   Этот набор данных формирует основную часть взаимодействий, о которых сообщается в совместном проекте Human Reference Protein Interactome Mapping Project и он все еще продолжается. «К 2020 году мы хотим, чтобы люди могли использовать белковую карту взаимодействий», — говорит Видаль. Работа не всегда шла гладко.  В соответствии с обзором 2006 года только около 3% идентифицированных взаимодействий подтверждались более чем одним методом. «Люди были крайне осторожны в использовании этих наборов данных», — говорит Видаль. «Но через десять лет мы достигли невероятного прогресса».

Лучшее сопоставление с CRISPR

    Возможная карта белковых взаимодействий Видаль будет содержать только подмножество всех возможных взаимодействий. Изменение клеток и тканей, а также смещение клеточных ответов сводятся ко многим возможным версиям полного взаимодействия. Для Маттиаса Манна, биохимика в Институте биохимии им. Макса Планка в Мартиншриде, Германия, эти варианты сложны. Но он с оптимизмом смотрит на мощь технологий редактирования генов, таких как CRISPR-Cas9.
    Метод отображения Манна включает библиотеки клеточных линий экспрессирующих сотни белков, которые тестируются на взаимодействие с использованием масс-спектрометра сверхвысокого разрешения под названием Orbitrap. Белки приманка сливаются с зеленым флуоресцентным белком создавая профиль светимости, который позволяет исследователям количественно определять взаимодействия посредством визуализации живых клеток. В конце 2000-х годов создание библиотеки клеточных линии было «довольно трудоемким», говорит он. «Теперь наш метод получает крылья из-за техники CRISPR».
    Начиная с введения количественного подхода в 2010 году, команда Манна выявила и зафиксировали более чем 28 000 взаимодействий. Взаимодействия в которых партнеры существуют в соотношениях один к одному считаются «сильными» и могут существовать в стабильных и больших комплексах. Без такой информации «очень сложно что-то сказать о структуре сети», поясняет Манн. Анализ карты его команды показал, что во взаимодействиях человеческих белков преобладают слабые ассоциации, которые могут быть связаны с взаимодействием малочисленных регуляторных белков с более стабильными белковыми машинами.
 
*Интерактом (лат. interactome) — совокупность всех взаимодействий белок-белок, белок-ДНК, белок-РНК и РНК-РНК в клетке, определяющих ее метаболизм.Интерактомика — наука изучающая интерактом.
 
*Дрожжевая двугибридная система (yeast two-hybrid system) — первая из систем, созданная на основе анализа экспрессии генов в дрожжах для экспериментального выявления белок-белковых взаимодействий. Д.д.с. основана на том факте, что активация экспрессии отдельных генов осуществляется транскрипционными факторами, обладающими двумя пространственно разделенными функциональными доменами: ДНК-связывающим и активирующим. Только при физическом присоединении друг к другу двух рекомбинантных белков, один из которых «слит» с ДНК-связывающим доменом («приманка»), а другой — с активирующим доменом («добыча») воссоздается функциональный транскрипционный фактор, который в свою очередь активирует экспрессию репортерных генов. Д.д.с. создана в 1989 г. С. Филдсом.
 
 
 
www.nature.com/nature/journal/v549/n7671/full/549293a.html?WT.mc_id=FBK_NA_1709_FHTECHFPROTEINMAPS_PORTFOLIO&foxtrotcallback=true
Нравится
Не нравится
11:28
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...

Важно!

Если Вы хотите зарегистрироваться в качестве врача или юридического лица, заполните форму. Использование "Войти с помощью" автоматически регистрирует Вас как пользователя.

Войти с помощью