«Белки - рабочие в клетке, и важно знать их форму», - говорит Крис Сандер, доктор философии, директор Центра cBio Dana-Farber в Департаменте наук о данных. Сандер и его коллеги продемонстрировали мощный метод «экспериментальной эволюции», позволяющий обнаружить детали формы и функции белка, и этот метод может найти применение в очень широком спектре биомедицинских исследований.
«Это фундаментальное открытие в молекулярной эволюционной биологии с возможным применением к раку», - говорит Сандер, профессор клеточной биологии Гарвардской медицинской школы и соавтор статьи, описывающей работу в журнале Cell. Системы.
Среди своих потенциальных применений метод «3Dseq» может помочь в определении трехмерной структуры белков, связанных с раком, которые не были идентифицированы альтернативными методами. Новый метод также может помочь понять, как онкогены и гены-супрессоры опухолей развиваются при раке, и определить, какие мутации в этих генах способствуют прогрессированию заболевания.
На протяжении десятилетий молекулярные биологи знали, что способность белка функционировать в клетке зависит от его правильной формы, которая определяется порядком составляющих его аминокислот. Однако определение трехмерной структуры белка требует сложных экспериментальных методов.
В 2011 году, работая с доцентом Гарвардского университета Деборой Маркс и другими коллегами, Сандер сделал большой шаг вперед в решении задачи предсказания структуры белка с использованием математического подхода, основанного на эволюции. Подход «естественной эволюции» начинается с анализа того, как генетическая последовательность конкретного белка меняется на протяжении миллионов лет. Для этого команда изучила последовательность белка на протяжении эволюционного времени - от древних видов, таких как бактерии, до более недавно эволюционировавших видов, таких как мыши и люди.
Ключевое понимание в более раннем исследовании пришло, когда команда использовала вычислительные методы, чтобы определить, какие аминокислоты в белке взаимодействуют друг с другом, изучая аминокислоты, которые меняются синхронно в процессе эволюции. «Мы смотрим на вещи, которые одновременно изменяются, и если в последовательности меняется что-то одно, меняется и другое», - говорит Сандер. «Это как гайка и болт - если вы меняете одну часть, вам нужно менять и другую часть, чтобы она по-прежнему подходила.«Он и его коллеги придумали базовый математический трюк, который может найти изменения в аминокислотах, оказывающие прямое влияние на структуру белка, предоставляя ключевую информацию, которую можно использовать в существующих алгоритмах молекулярной физики для вычисления структуры».
Однако не все белки можно изучать, используя последовательности, обнаруженные в ходе естественной эволюции. Последнее нововведение группы Sander заключается в том, чтобы привнести эволюцию в лабораторную посуду, где процесс можно строго контролировать и занимать недели, а не миллионы лет.
Ученые-исследователи Dana-Farber Майкл Стиффлер и Фрэнк Пулвейк являются соавторами, а Николас Готье - со-старшим автором в новой статье о проекте, который является первой крупномасштабной демонстрацией экспериментальной эволюции. метод определения структуры белка.
Ученые начали с гена фермента бактерий кишечной палочки, который делает бактерии устойчивыми к обычному антибиотику. Сначала они сгенерировали миллионы копий исходного гена с мутациями, разбросанными в различных позициях, а затем поместили эти мутировавшие гены в миллионы бактерий. Затем они поместили антибиотик в лабораторную посуду с бактериями и собрали выжившие бактерии. Эти выжившие бактерии имеют функциональные гены устойчивости к антибиотикам, но все еще содержат избранные мутации. Эта кропотливая процедура повторялась много раз, чтобы имитировать эволюционные процессы по аналогии с естественной эволюцией. «Из десятков миллионов белков мы получили несколько сотен тысяч, которые действительно работают», - говорит Сандер.
Используя вычислительную стратегию, впервые использованную в исследовании 2011 года, они получили данные, которые сгенерировали трехмерные структуры белков для двух очень разных белков, устойчивых к антибиотикам, и получили формы, очень похожие на те, которые определены с помощью рентгеновской кристаллографии.
Экспериментальная эволюция 3Dseq объединит три существующие технологии для выявления структуры белка: рентгеновскую кристаллографию, которая испускает рентгеновские лучи на кристаллизованный белок; спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), основанная на физике, аналогичной той, которая используется при сканировании с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ); и криоэлектронная микроскопия, которая сканирует замороженные образцы с помощью электронного микроскопа.
После того, как технология 3Dseq станет зрелой, она может дать два основных преимущества для определения структуры белка, говорит Сандер. Во-первых, три существующих метода не всегда работают для белков. Во-вторых, 3Dseq предоставляет подробную информацию о ключевых взаимодействиях в сложных формах белков, которые необходимы для функционирования белков. Эта способность в конечном итоге может оказаться очень важной для ряда приложений в клеточной биологии, начиная от понимания эволюции патогенов и заканчивая ускорением разработки биотерапевтических средств, говорит он.
Его группа и ее сотрудники начали усилия по улучшению методов скрининга 3Dseq и обобщению технологий для использования с другими белками. Их статья была опубликована вместе с данными о последовательности и программными инструментами. «Мы будем сотрудничать с другими людьми для разработки анализов, чтобы сделать их более применимыми к интересующим белкам», - говорит Сандер. «Что бы мы ни разрабатывали, мы будем делать это общедоступным."
«Это исследование демонстрирует позитивную, непредубежденную научную культуру Даны-Фарбер и Гарвардской медицинской школы как пример фундаментальной науки, которая приведет к прогрессу в исследованиях рака», - добавляет он. Ведущее финансирование работы поступило от Дана-Фарбер и Национального института общих медицинских наук.