В науке появилась новая "омика" - интерактомика, изучающая взаимодействия между белками и малыми молекулами. Сосредоточившись ранее на геномике или протеомике, системные биологи теперь могут добавить к этому интерактомику белковых метаболитов. Геномика занимается систематическим анализом всех генов организма, в то время как протеомика имеет дело со всем набором белков в биологической единице.
С помощью интерактомики белковых метаболитов группа под руководством Паолы Пикотти, профессора молекулярной системной биологии в ETH Zurich, теперь добавила еще один уровень к существующей «омике».«Исследователи недавно опубликовали исследование в журнале Cell, в котором впервые систематически проанализировали и количественно оценили взаимодействия всех белков с метаболитами (малыми метаболическими молекулами) на уровне всего протеома, установив отношения между ними.
Разные места резки
Исследователи показали, сколько белков и ферментов, присутствующих в бактериальной клетке кишечной палочки, взаимодействуют с метаболитами. Для этого они использовали подход, известный как ограниченный протеолиз (LiP), в сочетании с масс-спектрометрическим анализом.
Исследователи извлекли клеточную жидкость, содержащую белки, из бактериальных клеток. Затем к каждому образцу добавляли метаболит и позволяли ему взаимодействовать с белками. Наконец, они разрезают белки на более мелкие кусочки (пептиды) с помощью «молекулярных ножниц». Всего исследователи протестировали таким образом 20 различных метаболитов и их взаимодействие с белками.
Когда белок взаимодействует с метаболитом, независимо от того, оседает ли он в активном центре белка или прикрепляется к другому участку, структура белка изменяется. Затем «молекулярные ножницы» вырезают его в разных местах исходной структуры, в результате чего получается другой набор пептидов.
Используя масс-спектрометр, исследователи измерили все частицы, присутствующие в образце, и ввели полученные данные в компьютер, чтобы реконструировать структурные различия и изменения, а также определить, где в белке они локализованы.
Обнаружены сотни новых взаимодействий
Знания об интерактоме белок-метаболит (взаимодействия между белками и метаболитами и принадлежащими им молекулярными (сигнальными) сетями), ранее были очень ограничены по сравнению с тем, что было известно о взаимодействиях между разными белками или между белками и ДНК или РНК. В настоящее время исследование резко расширило эти знания.
Используя этот подход с кишечной палочкой, Пикотти и ее команда обнаружили около 1 650 различных взаимодействий белок-метаболит, из которых более 1 400 ранее были неизвестны. Также были выявлены тысячи сайтов связывания на белках, к которым могут присоединяться метаболиты. «Хотя метаболизм кишечной палочки и связанных с ней молекул уже очень хорошо известен, нам удалось открыть много новых взаимодействий и соответствующих сайтов связывания», - говорит Пикотти. Это доказывает огромный потенциал метода: «Данные, которые мы получаем с помощью этого метода, помогут идентифицировать новые регуляторные механизмы, неизвестные ферменты и новые метаболические реакции в клетке».
Структурные изменения регулируют активность
В своем исследовании исследователи также показали, что небольшие метаболические молекулы предпочитают связываться (и, таким образом, регулировать) белки, концентрация которых более или менее постоянна во времени. Это позволяет предположить, что связывание метаболитов с белками и изменение концентрации белков являются двумя взаимодополняющими путями, с помощью которых клетки регулируют активность белков.
Белки могут быть активированы или инактивированы относительно быстро за счет структурных изменений, опосредованных метаболитами. «Такого рода структурные изменения можно обратить вспять быстрее», - объясняет Пикотти. С точки зрения клетки это часто имеет смысл, потому что использование пути, включающего изменение концентрации, означает, что клетка должна разбирать или восстанавливать белки, что требует больше времени, энергии и ресурсов..
Пикотти и ее коллеги также смогли показать, что многие ферменты менее разборчивы, чем считалось ранее: они, по-видимому, могут связываться с несколькими различными метаболитами и химически изменять их. До сих пор считалось, что ферменты в основном специфичны для нескольких очень похожих молекул.
Новый подход к тестированию лекарств
Фармацевтическая промышленность очень заинтересована в новом подходе, так как его можно использовать для проверки взаимодействия лекарств с клеточными белками и определения мишеней лекарств. Исследователи могли бы выяснить, с какими белками и с какими сайтами связывается это лекарство, как оно изменяет их структуру и, таким образом, влияет на их активность. Это облегчит и ускорит испытания и разработку новых лекарств.
Пикотти уже запатентовал этот метод. Дочерняя компания ETH Biognosys является держателем эксклюзивной лицензии и в настоящее время использует этот метод для тестирования различных лекарств от имени фармацевтических компаний.