العلماء يتخذون خطوة عملاقة للناس - بالنباتات!

28 يوليو، 2011

العلماء يتخذون خطوة عملاقة للناس - بالنباتات!

يساهم باحثو معهد سالك ومعهد دانا فاربر للسرطان في إنتاج أكبر خريطة على الإطلاق لتفاعلات البروتين النباتي

28 يوليو، 2011

لا جولا — يتقدم العلم عادةً بخطوات صغيرة ، ولكن في حالات نادرة ، ينتج عن مزيج جديد من الخبرة البحثية والتكنولوجيا المتطورة "قفزة كبيرة إلى الأمام". فريق دولي من العلماء ، ومن بين كبار المحققين عالم أحياء النبات في معهد Salk جوزيف إيكر، أبلغ عن إحدى هذه القفزات في عدد 29 يوليو 2011 من مجلة Science. يصفون خرائطهم والتحليلات المبكرة لآلاف التفاعلات من البروتين إلى البروتين داخل خلايا نبات الأرابيدوبسيس thaliana - مجموعة متنوعة من نبات الخردل بيولوجيا النبات ما هو فأر المختبر لبيولوجيا الإنسان.

يقول إيكر ، الأستاذ في مختبر البيولوجيا الجزيئية والخلوية النباتية: "من خلال هذه الدراسة ، تمكنا من مضاعفة بيانات تفاعل البروتين النباتي المتاحة للعلماء". "هذه البيانات جنبًا إلى جنب مع البيانات المستمدة من دراسات رسم الخرائط" التفاعلية "المستقبلية مثل هذه يجب أن تمكن علماء الأحياء من جعل النباتات الزراعية أكثر مقاومة للجفاف والأمراض ، وأكثر تغذية ، وأكثر إفادة للبشرية بشكل عام."

تم تمويل المشروع الذي امتد لأربع سنوات بمنحة قدرها 8 ملايين دولار من مؤسسة العلوم الوطنية ، وترأسه مارك فيدال وباسكال براون وديفيد هيل وزملاؤهم في معهد دانا فاربر للسرطان في بوسطن. وإيكر في معهد سالك. يقول فيدال: "لقد كان تعاونًا طبيعيًا ، لأن جو وزملائه في معهد سالك قد قاموا بالفعل بترتيب ل arabidopsis الجينوم واستنسخنا العديد من جينات ترميز البروتين ، بينما من جانبنا في معهد دانا فاربر لدينا خبرة في صنع خرائط تفاعل البروتين هذه لكائنات أخرى مثل الخميرة. "

في المراحل الأولى من المشروع ، قام أعضاء مختبر إيكر بقيادة فني الأبحاث ماري جالي بتحويل معظم مكتباتهم المتراكمة من ل arabidopsis استنساخ الجينات المشفرة للبروتين في شكل مفيد لاختبارات تفاعل البروتين. يقول جالي: "بالنسبة لهذا المشروع ، تم تحويل أكثر من 10,000 نسخة من" إطار القراءة المفتوحة "والتحقق من تسلسلها استعدادًا لفحص تفاعل البروتين".

قام فيدال وبراون وهيل وزملاؤهم بتشغيل إطارات القراءة المفتوحة هذه بشكل منهجي من خلال عملية فحص تفاعل البروتين عالية الجودة ، بناءً على اختبار يُعرف باسم شاشة الخميرة ثنائية الهجين. من بين أكثر من أربعين مليون مجموعة زوجية محتملة ، وجدوا ما مجموعه 6,205 ل arabidopsis تفاعلات البروتين والبروتين ، وتشمل 2,774 بروتينًا فرديًا. أكد الباحثون الجودة العالية لهذه البيانات ، على سبيل المثال من خلال إظهار تداخلها مع بيانات تفاعل البروتين من الدراسات السابقة.

تمثل الخريطة الجديدة المكونة من 6,205 شراكة بروتينية حوالي XNUMX بالمائة فقط من البروتين الكامل "التفاعل" ل arabidopsis، لأن اختبار الفحص لم يغط سوى ثلث الجميع ل arabidopsis البروتينات ، ولم تكن حساسة بدرجة كافية لاكتشاف العديد من تفاعلات البروتين الأضعف. يقول إيكر: "ستكون هناك خرائط أكبر بعد هذه الخريطة".

حتى كخطوة أولية ، من الواضح أن الخريطة الجديدة مفيدة. تمكن الباحثون من فرز أزواج تفاعل البروتين التي وجدوها في مجموعات وظيفية ، وكشفوا عن شبكات و "مجتمعات" من البروتينات التي تعمل معًا. يقول إيكر: "كان هناك القليل جدًا من المعلومات ، على سبيل المثال ، حول كيفية تواصل مسارات إشارات الهرمونات النباتية مع بعضها البعض". "ولكن في هذه الدراسة تمكنا من العثور على عدد من الروابط المثيرة للاهتمام بين هذه المسارات."

قدم تحليل إضافي لخريطتهم نظرة ثاقبة جديدة في تطور النبات. إيكر وزملائه ل arabidopsis كشفت بيانات الجينوم ، التي تم الإبلاغ عنها قبل عقد من الزمن ، أن النباتات تكرر جيناتها بشكل عشوائي إلى حد أكبر بكثير مما تفعله الحيوانات. يبدو أن أحداث تكرار الجينات هذه تمنح النباتات بعض التنوع الجيني الذي تحتاجه للبقاء على التكيف مع البيئات المتغيرة. في هذه الدراسة ، وجد الباحثون 1900 زوجًا من البروتينات المعينة التي ظهرت على أنها نتاج أحداث قديمة لتضاعف الجينات.

باستخدام تقنيات التأريخ الجينومي المتقدمة ، تمكن الباحثون من قياس الفترة الزمنية منذ كل من أحداث تكرار الجينات هذه - أطول فترة هي 700 مليون سنة - ومقارنتها بالتغييرات في شركاء تفاعل البروتينين. يقول فيدال: "يوفر هذا مقياسًا لكيفية قيام التطور بإعادة توصيل وظائف هذه البروتينات". "مجموعة البيانات الكبيرة عالية الجودة لدينا والتكرار المرتفع بشكل طبيعي لهذه التكرارات الجينية في ل arabidopsis سمح لنا بإجراء مثل هذا التحليل لأول مرة ".

وجد الباحثون دليلاً على أن ل arabidopsis تميل شراكات البروتين إلى التغيير بسرعة بعد حدث الازدواج ، ثم بشكل أبطأ عندما يستقر الجين المضاعف في وظيفته الجديدة ويحتفظ به هناك بسبب الضغط التطوري. يقول فيدال: "على الرغم من أن الاختلاف في تسلسل الأحماض الأمينية لهذه البروتينات قد يستمر ، فإن الاختلاف فيما يتعلق بشركائها يتباطأ بشكل كبير بعد التغيير الأولي السريع ، الذي لم نتوقع رؤيته".

في عدد 29 يوليو من علوم باحثين من ل arabidopsis ذكرت دراسة رسم الخرائط التفاعلية عرضًا آخر لفائدة نهجهم. بقيادة جيفري ل. دانجل من جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل ، فحصوا ل arabidopsis تفاعلات البروتين مع البكتيريا سيودوموناس سيرينجاي (بسي) وميكروب يشبه الفطريات يسمى هيالوبيرونوسبورا أرابيدوبسيديس (Hpa). "على الرغم من أن هذين الممرضين منفصلين بحوالي مليار سنة من التطور ، فقد اتضح أن بروتينات" المستجيب "التي يستخدمونها لتخريب ل arabidopsis يتم استهداف الخلايا أثناء العدوى على حد سواء ضد نفس المجموعة من الترابط الشديد ل arabidopsis البروتينات ، "يقول إيكر. "نظرنا إلى بعض هؤلاء المستهدفين ل arabidopsis ووجدت أدلة على أنها تعمل بمثابة "محاور" أو نقاط تحكم لجهاز المناعة في النبات والأنظمة ذات الصلة ".

يأمل إيكر وزملاؤه أن تكون هذه الدراسات بمثابة بداية فترة من التقدم السريع في فهم بيولوجيا النبات ، وفي استخدام هذه المعرفة لفائدة الإنسان. يبدأ هذا في إعطائنا صورة كبيرة على مستوى الأنظمة لكيفية القيام بذلك ل arabidopsis يعمل ، وستكون الكثير من هذه الصورة على مستوى الأنظمة ذات صلة - وتوجه المزيد من الأبحاث حول - الأنواع النباتية الأخرى ، بما في ذلك تلك المستخدمة في الزراعة البشرية وحتى المستحضرات الصيدلانية ، كما يقول إيكر.

يتكون "اتحاد خرائط Arabidopsis Interactome Mapping Consortium" من أكثر من 20 مختبرًا محليًا ودوليًا تساهم في هذه الدراسة بدعم من عدد من وكالات التمويل بما في ذلك مؤسسة العلوم الوطنية والمعاهد الوطنية للصحة.

حول المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF):
المؤسسة الوطنية للعلوم هي وكالة فيدرالية مستقلة أنشأها الكونغرس في عام 1950 "لتعزيز تقدم العلم ؛ للنهوض بالصحة الوطنية والازدهار والرفاهية ؛ لتأمين الدفاع الوطني ... "أهداف NSF - الاكتشاف والتعلم والبنية التحتية البحثية والإشراف - توفر إستراتيجية متكاملة لتعزيز حدود المعرفة ، وتنمية قوة عاملة علمية وهندسية عالمية المستوى ، وتوسيع المعرفة العلمية لجميع المواطنين ، وبناء القدرة البحثية للأمة من خلال الاستثمارات في الأجهزة والمرافق المتقدمة ، ودعم التميز في البحث العلمي والهندسي والتعليم من خلال منظمة قادرة وسريعة الاستجابة. لمزيد من المعلومات حول NSF ، قم بزيارة www.nsf.gov.

حول المعاهد الوطنية للصحة (نيه):
وكالة الأمة للبحوث الطبية - تضم 27 معهدًا ومركزًا وهي جزء من وزارة الصحة والخدمات الإنسانية الأمريكية. وهي الوكالة الفيدرالية الأساسية لإجراء ودعم البحوث الطبية الأساسية والسريرية والمتعددة ، وهي تحقق في أسباب وعلاجات وعلاج كل من الأمراض الشائعة والنادرة. لمزيد من المعلومات حول المعاهد الوطنية للصحة وبرامجها ، قم بزيارة www.nih.gov.

عن معهد سالك للدراسات البيولوجية:
معهد سالك للدراسات البيولوجية هو أحد المؤسسات البحثية الأساسية البارزة في العالم ، حيث يقوم أعضاء هيئة التدريس المشهورون دوليًا بالتحقيق في أسئلة علوم الحياة الأساسية في بيئة فريدة وتعاونية وإبداعية. من خلال التركيز على الاكتشاف وتوجيه الأجيال القادمة من الباحثين ، يقدم علماء Salk مساهمات رائدة لفهمنا للسرطان والشيخوخة والزهايمر والسكري والأمراض المعدية من خلال دراسة علم الأعصاب وعلم الوراثة وبيولوجيا الخلايا والنباتات والتخصصات ذات الصلة.

تم الاعتراف بإنجازات أعضاء هيئة التدريس بالعديد من الأوسمة ، بما في ذلك جوائز نوبل والعضويات في الأكاديمية الوطنية للعلوم. تأسس المعهد في عام 1960 من قبل رائد لقاح شلل الأطفال جوناس سالك ، وهو مؤسسة مستقلة غير ربحية ومعلم معماري.