Белки, эти основные компоненты клеток и тканей, выполняют множество биологических функций, работая с партнерами в сетях. Динамический характер этих сетей, где белки взаимодействуют с разными партнерами в разное время и в разных клеточных средах, может представлять проблему для ученых, которые их изучают. Однако исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрса применили математический метод к большим наборам данных протеомики, чтобы раскрыть новое понимание организации сложных и динамических сетей.
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Publishing Group's Scientific Reports, биологические сети двух белков, INO80 в дрожжах S. cerevisiae и Sin3 в линии клеток человека, были изучены с использованием передового математического подхода, называемого топологическим. анализ данных (TDA), который является общим методом анализа многомерных наборов данных. По сравнению с другими методами, используемыми для анализа данных о взаимодействии белков, TDA позволяет исследователям оценивать большее количество белков и их связей и получать расширенное представление о сети.
«Думайте о белке как об аэропорте в системе узлов и спиц», - говорит Михаэла Сардиу, доктор философии, первый автор статьи и старший специалист по протеомике в Центре протеомики Стоуэрса. «В обычном состоянии система работает в одном направлении. Но что происходит, когда снежная буря отключает главный узел? Затрагивается часть сети».
Когда сеть аэропортов нарушается, как меняется схема движения? Пассажиры предпочитают подождать, выбрать другой маршрут или арендовать автомобиль и доехать до места назначения?
"Это похоже на белки", объясняет Сардиу. «Изменение в одной части сети влияет не только на этот компонент, но и на окружающие».
Для исследования сети INO80 исследователи выделили белковые комплексы после того, как гены, кодирующие компоненты комплекса ремоделирования хроматина INO80, были удалены из генома. В исследовании сети Sin3 они повторно проанализировали предыдущие данные, демонстрирующие нарушение работы сети Sin3 человека с помощью ингибитора гистоновой деацетилазы, связанного с противораковой активностью..
В обоих исследованиях ученые определили топологические сетевые модули (TNM), состоящие из белков с общими свойствами, которые были обнаружены в определенных местах в сетях. Полученные данные дают представление о сетях путем выявления модулей, состоящих из белков определенных категорий, таких как белки внутри комплекса, белки с общими биологическими функциями и белки, нарушенные в сетях.
Идентификация TNM может быть применена к изучению таких заболеваний, как рак, когда сети взаимодействия белков изменяются химиотерапией или самой болезнью. Изучая белки, их окрестности и пути их перемещения, исследователи надеются получить представление о широком спектре биологических функций, включая лекарственную устойчивость и влияние раковых мутаций..
«ТДА - это быстрый и эффективный способ интерпретации сложных наборов данных», - говорит Майкл П. Уошберн, доктор философии, директор отдела протеомики в Институте Стоуэрса и профессор кафедры патологии и лабораторной медицины в Медицинский центр Канзасского университета. «Существует очень мало данных о нарушенных или возмущенных сетях взаимодействия белков. Основное внимание уделялось статическим сетям. Нарушая систему, вы можете узнать, как она работает как динамическая сеть. Этот подход может предоставить доступный способ визуализации. отношения между белками."
Обобщение выводов
Белки играют важную роль в клетках и тканях. Некоторые белки обеспечивают структурную целостность, другие катализируют реакции, третьи регулируют экспрессию генов. Протеомика - это изучение структуры, функций и взаимодействия всех белков в клетке или организме, число которых может исчисляться сотнями тысяч или миллионами вариаций.
Чтобы лучше понять белки в их динамическом мире, Майкл Уошберн, доктор философии, Михаэла Сардиу, доктор философии, и их сотрудники в Институте медицинских исследований Стоуэрса использовали передовой математический подход, называемый топологическим анализом данных (TDA) для изучения двух разных видов белков и сетей их взаимодействия. Исследователи изменили или нарушили части этих двух белковых сетей, а затем определили, как эти сети были затронуты. С помощью TDA группы белков, проявляющих схожие эффекты и обладающие схожими свойствами, были идентифицированы как модули топологической сети. Кроме того, исследователи смогли получить расширенное представление о каскадных взаимодействиях в более крупной сети и определить новые области биологических сетей для изучения.