Это официально - в простой клетке содержится около 42 миллионов белковых молекул, сообщила группа исследователей во главе с Грантом Брауном, профессором биохимии в Центре клеточных и биомолекулярных исследований Доннелли Университета Торонто. Анализируя данные почти двух десятков крупных исследований содержания белка в дрожжевых клетках, команда впервые смогла получить надежные оценки количества молекул для каждого белка, как показано в исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Cell Systems.
Работа была выполнена в сотрудничестве с Анастасией Барышниковой, выпускником Университета Таллина, а ныне главным исследователем Calico, калифорнийской биотехнологической компании, которая занимается проблемами старения.
Белки составляют наши клетки и выполняют в них большую часть работы. Таким образом, они оживляют генетический код, потому что рецепты построения белков хранятся в коде ДНК генов.
Объясняя работу, Браун сказал, что, учитывая, что «клетка является функциональной единицей биологии, просто естественное любопытство - хотеть узнать, что внутри и сколько каждого вида».
Несмотря на любопытство, есть еще одна причина, по которой ученые хотели бы подсчитывать белки. Многие заболевания вызваны недостатком или избытком определенного белка. Чем больше ученые узнают о том, как контролируется количество белка, тем лучше они смогут это исправить, когда что-то пойдет не так.
Хотя исследователи изучали изобилие белка в течение многих лет, результаты были представлены в произвольных единицах, что сеет путаницу в полевых условиях и затрудняет сравнение данных между различными лабораториями.
Многие группы, например, оценивали уровни белка, прикрепляя флуоресцентную метку к белковым молекулам и определяя их количество по тому, насколько сильно светятся клетки. Но неизбежные различия в приборах означали, что разные лаборатории регистрировали разные уровни яркости, излучаемой клетками. Другие лаборатории измеряли уровни белков, используя совершенно другие подходы.
«Было трудно осмыслить, сколько белков содержится в клетке, потому что данные были представлены в совершенно разных масштабах», - сказал Брэндон Хо, аспирант лаборатории Брауна, который выполнил большую часть работы над проектом.
Чтобы преобразовать произвольные измерения в количество молекул на клетку, Хо обратился к пекарским дрожжам, легко изучаемому одноклеточному микробу, который дает представление о том, как работает основная клетка. Дрожжи также являются единственным организмом, для которого было достаточно данных для расчета количества молекул для каждого из 6000 белков, кодируемых геномом дрожжей, благодаря 21 отдельному исследованию, в котором измерялось количество всех дрожжевых белков. Для клеток человека таких наборов данных не существует, поскольку каждый тип клеток содержит только подмножество белков, кодируемых 20 000 человеческих генов.
Богатство существующих данных о дрожжах означало, что Хо мог собрать все это воедино, провести сравнительный анализ и преобразовать расплывчатые показатели содержания белка в «что-то, что имеет смысл, другими словами, количество молекул на клетку», - сказал Браун.
Анализ Хо впервые показывает, сколько молекул каждого белка находится в клетке, при этом общее количество молекул оценивается примерно в 42 миллиона. Большинство белков существуют в узком диапазоне - от 1000 до 10 000 молекул. Некоторые из них необычайно многочисленны и составляют более полумиллиона копий, в то время как другие существуют менее чем в 10 молекулах в клетке.
Анализируя данные, исследователи смогли получить представление о механизмах, с помощью которых клетки контролируют количество различных белков, проложив путь к аналогичным исследованиям на клетках человека, которые могли бы помочь выявить молекулярные корни болезней. Они также показали, что запас белка коррелирует с его ролью в клетке, а это означает, что можно использовать данные об изобилии, чтобы предсказать, что делают белки.
Наконец, в открытии, которое порадует клеточных биологов во всем мире, Хо показал, что обычная практика пришивания светящихся меток к белкам мало влияет на их количество. Хотя этот подход произвел революцию в изучении биологии белков, принеся его первооткрывателям Осаму Шимомуре, Мартину Чалфи и Роджеру Тсиен Нобелевскую премию по химии в 2008 году, он также вызвал опасения, что маркировка может повлиять на долговечность белков, что приведет к искажению данных.
«Это исследование будет иметь большое значение для всего сообщества дрожжей и за его пределами», - сказал Роберт Нэш, старший биокуратор базы данных генома Saccharomyces, которая сделает данные доступными для исследователей во всем мире. Он также добавил, что, представляя содержание белка «в обычном и интуитивно понятном формате, лаборатория Брауна предоставила другим исследователям возможность пересмотреть эти данные и тем самым облегчить сравнение исследований и выработку гипотез».
Исследование финансировалось Исследовательским институтом Канадского онкологического общества.