Белки - это движущие силы клетки. Они выполняют всю работу, необходимую клеткам для роста, размножения и выполнения других обязанностей. Но гены несут инструкции для гораздо большего количества белков, чем имеется в клетке в любой момент времени. Следовательно, исследователям полезно знать набор присутствующих белков, или протеом, в клетке или ткани в данный момент времени и при определенных условиях. Понимание ограничений размера протеома и толерантности клетки к разнообразию белков имеет решающее значение для определения того, как эволюционируют организмы.
Теперь команда из Научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) показала, что, скрещивая два вида мух, они могут использовать то, что они узнают из протеома гибридного потомства, чтобы найти новые подсказки о том, как белки взаимодействуют с каждым из них. другое - и при каких обстоятельствах допускаются дополнительные белки. Недавно они сообщили о своих выводах в журнале Science Advances.
«Мы были удивлены, обнаружив, что во время эмбрионального развития протеом гибридного потомства более сложен и содержит больше белков, чем у обоих родительских видов вместе взятых», - говорит Казимир Бамбергер, доктор философии, научный сотрудник TSRI. и первый автор исследования. «Это показало нам, что протеом обладает пластичностью во время развития, которая позже теряется во взрослом возрасте. Эта повышенная пластичность протеома во время развития может предоставить дополнительное пространство для быстрой фенотипической изменчивости по мере эволюции организмов».
Исследователи использовали технику, называемую восходящей протеомикой (иногда называемую протеомикой дробовика), чтобы выявить, какие белки каждого вида присутствовали в гибридных мухах. В этом процессе белки расщепляются на более мелкие пептиды, и эти пептиды анализируются с помощью масс-спектрометрии (МС), которая измеряет массу молекул в образце. Поскольку массы пептидов разных видов различаются, исследователи смогли проследить долю белков, которые геном каждого вида внес в протеом гибридов.
«МС - это единственный крупномасштабный метод изучения целых протеомов», - говорит Джон Йейтс III, доктор философии, профессор кафедры химической физиологии TSRI и старший автор исследования.
Его лаборатория сосредоточена на разработке и применении методов протеомики на основе MS для ответа на широкий круг биологических вопросов. «Мы можем использовать эту технологию для одновременной идентификации и количественного определения тысяч белков в образце», - добавляет он.
В ходе исследования исследователи скрестили два вида плодовых мушек, Drosophila melanogaster и Drosophila simulans. Плодовые мушки - популярные модели для изучения генов и белков, потому что они хорошо изучены и с ними относительно легко манипулировать в лаборатории. Белки гибридов и двух родителей были помечены разными изотопами, чтобы ученые могли определить, какие белки в потомстве отличаются по своему количеству от родительского.
Исследователи обнаружили, что на раннем этапе развития мухи экспрессировали новые белки, не обнаруженные ни у одного из родительских видов в один и тот же момент их развития. Однако количество белков было снижено у выживших взрослых. Это предоставило исследователям новые подробности о функции сети протеостаза - регуляторной системы внутри клеток, которая, среди прочего, координирует синтез, укладку, модификацию и деградацию белков..
«Мы обнаружили, что у этих развивающихся гибридов увеличение сложности протеома сопровождалось активацией сети протеостаза, что означает, что она была более активной, чем обычно», - объясняет Бамбергер. «Это потому, что он занят удалением белков, которые он распознает как отсутствующие. Но, с другой стороны, сеть протеостаза может также способствовать тому, как новые и дополнительные белки стабилизируются и, таким образом, поддерживаются в организме».
Бамбергер говорит, что, изучая сеть протеостаза и то, как белки взаимодействуют друг с другом, команда может начать понимать, почему определенные белки сохраняются в протеоме, несмотря на их неисправность, например, при таких состояниях, как рак или нейродегенеративные расстройства, включая Болезнь Альцгеймера. Понимание этих взаимодействий однажды может привести к новым подходам к лечению некоторых заболеваний.
«Получение более глубокого понимания фундаментальных принципов, управляющих межбелковыми взаимодействиями в больших масштабах, может помочь нам понять, как виды достигают быстрой фенотипической изменчивости или как больные клетки поддерживают работоспособность протеома со все более мутирующими белками», - Бамбергер. объясняет.
Йейтс добавил, что исследование также является полезным инструментом для понимания разведения животных. «Это показывает нам, насколько генетические изменения мешают видам успешно спариваться, и что происходит на уровне белков, когда это происходит», - говорит он.