Wissenschaftler machen einen Riesenschritt für den Menschen – mit Pflanzen!

Juli 28, 2011

Wissenschaftler machen einen großen Schritt für den Menschen – mit Pflanzen!

Forscher des Salk Institute und des Dana Farber Cancer Institute tragen zur Erstellung der bislang größten Karte der Wechselwirkungen zwischen Pflanzenproteinen bei

Juli 28, 2011

La Jolla – Die Wissenschaft schreitet normalerweise in kleinen Schritten voran, aber in seltenen Fällen führt eine neue Kombination aus Forschungskompetenz und Spitzentechnologie zu einem „großen Sprung nach vorne“. Ein internationales Team von Wissenschaftlern, zu dessen leitenden Forschern auch Pflanzenbiologen des Salk Institute gehören Josef Ecker, berichten über einen solchen Sprung in der Science-Ausgabe vom 29. Juli 2011. Sie beschreiben ihre Kartierung und frühe Analyse Tausender Protein-zu-Protein-Wechselwirkungen innerhalb der Zellen von Arabidopsis thaliana -eine Sorte Senfpflanze, die dazu dient Pflanzenbiologie was die Labormaus für die menschliche Biologie bedeutet.

„Mit dieser einen Studie ist es uns gelungen, die den Wissenschaftlern zur Verfügung stehenden Daten zur Interaktion zwischen pflanzlichen Proteinen zu verdoppeln“, sagt Ecker, Professor am Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory. „Diese Daten sowie Daten aus künftigen „Interaktom“-Kartierungsstudien wie dieser sollten es Biologen ermöglichen, landwirtschaftliche Pflanzen resistenter gegen Dürre und Krankheiten, nährstoffreicher und allgemein nützlicher für die Menschheit zu machen.“

Das vierjährige Projekt wurde durch einen Zuschuss der National Science Foundation in Höhe von 8 Millionen US-Dollar finanziert und von Marc Vidal, Pascal Braun, David Hill und Kollegen am Dana Farber Cancer Institute in Boston geleitet. und Ecker am Salk Institute. „Es war eine natürliche Zusammenarbeit“, sagt Vidal, „weil Joe und seine Kollegen am Salk Institute das bereits sequenziert hatten Arabidopsis Genom und hatte viele der Protein-kodierenden Gene geklont, während wir unsererseits am Dana Farber Institute Erfahrung in der Erstellung dieser Protein-Interaktionskarten für andere Organismen wie Hefe hatten.“

In der Anfangsphase des Projekts konvertierten Mitglieder von Eckers Labor unter der Leitung der Forschungstechnikerin Mary Galli den größten Teil ihrer angesammelten Bibliothek Arabidopsis Protein-kodierende Genklone in eine für Protein-Interaktionstests nützliche Form zu bringen. „Für dieses Projekt wurden über 10,000 Klone mit offenem Leserahmen konvertiert und die Sequenz überprüft, um das Proteininteraktionsscreening vorzubereiten“, sagt Galli.

Vidal, Braun, Hill und ihre Kollegen ließen diese offenen Leserahmen systematisch einem hochwertigen Protein-Interaktions-Screening-Prozess unterzogen, der auf einem Test basiert, der als Hefe-Zwei-Hybrid-Screening bekannt ist. Von mehr als vierzig Millionen möglichen Paarkombinationen fanden sie insgesamt 6,205 Arabidopsis Protein-Protein-Wechselwirkungen, an denen 2,774 einzelne Proteine ​​beteiligt sind. Die hohe Qualität dieser Daten bestätigten die Forscher beispielsweise dadurch, dass sie Überschneidungen mit Proteininteraktionsdaten aus früheren Studien zeigten.

Die neue Karte von 6,205 Proteinpartnerschaften repräsentiert nur etwa zwei Prozent des gesamten Protein-Protein-„Interaktoms“. Arabidopsis, da der Screening-Test nur ein Drittel aller Fälle abdeckte Arabidopsis Proteine ​​und war nicht empfindlich genug, um viele schwächere Proteininteraktionen zu erkennen. „Danach wird es größere Karten geben“, sagt Ecker.

Aber auch als erster Schritt ist die neue Karte eindeutig nützlich. Den Forschern gelang es, die gefundenen Protein-Interaktionspaare in funktionelle Gruppen einzuteilen und so Netzwerke und „Gemeinschaften“ von Proteinen aufzudecken, die zusammenarbeiten. „Es gab beispielsweise nur sehr wenige Informationen darüber, wie die Signalwege pflanzlicher Hormone miteinander kommunizieren“, sagt Ecker. „Aber in dieser Studie konnten wir eine Reihe interessanter Zusammenhänge zwischen diesen Signalwegen finden.“

Eine weitere Analyse ihrer Karte lieferte neue Einblicke in die Pflanzenentwicklung. Ecker und Kollegen Arabidopsis Genomdaten, über die vor einem Jahrzehnt berichtet wurde, hatten gezeigt, dass Pflanzen ihre Gene zufällig in einem viel größeren Ausmaß duplizieren als Tiere. Diese Genduplikationsereignisse verleihen Pflanzen offenbar einen Teil der genetischen Vielseitigkeit, die sie benötigen, um an sich verändernde Umgebungen angepasst zu bleiben. In dieser Studie fanden die Forscher 1900 Paare ihrer kartierten Proteine, die offenbar Produkte früherer Genduplikationsereignisse waren.

Mithilfe fortschrittlicher genomischer Datierungstechniken konnten die Forscher die Zeitspanne seit jedem dieser Genduplikationsereignisse abschätzen – die längste Zeitspanne betrug 700 Millionen Jahre – und sie mit den Veränderungen in den Interaktionspartnern der beiden Proteine ​​vergleichen. „Dies ist ein Maß dafür, wie die Evolution die Funktionen dieser Proteine ​​neu verdrahtet hat“, sagt Vidal. „Unser großer, qualitativ hochwertiger Datensatz und die natürlich hohe Häufigkeit dieser Genduplikationen in Arabidopsis ermöglichte es uns erstmals, eine solche Analyse durchzuführen.“

Die Forscher fanden Hinweise darauf, dass die Arabidopsis Proteinpartnerschaften neigen dazu, sich nach dem Duplikationsereignis schnell zu ändern, dann langsamer, wenn das duplizierte Gen seine neue Funktion übernimmt und durch den evolutionären Druck dort gehalten wird. „Auch wenn die Divergenz der Aminosäuresequenzen dieser Proteine ​​möglicherweise anhält, verlangsamt sich die Divergenz in Bezug auf ihre jeweiligen Partner nach einer schnellen anfänglichen Veränderung, mit der wir nicht gerechnet hatten, drastisch“, sagt Vidal.

In der Juli-Ausgabe 29 von Forschung Forscher aus der Arabidopsis Die Interactome-Mapping-Studie lieferte einen weiteren Beweis für die Nützlichkeit ihres Ansatzes. Unter der Leitung von Jeffery L. Dangl von der University of North Carolina in Chapel Hill untersuchten sie Arabidopsis Proteininteraktionen mit dem Bakterium Pseudomonas syringae (Psy) und eine pilzähnliche Mikrobe namens Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa). „Obwohl zwischen diesen beiden Krankheitserregern etwa eine Milliarde Jahre Evolution liegen, stellt sich heraus, dass die ‚Effektor‘-Proteine, die sie verwenden, untergraben werden Arabidopsis Während der Infektion richten sich beide Zellen gegen denselben Satz hochvernetzter Zellen Arabidopsis Proteine“, sagt Ecker. „Wir haben uns einige davon gezielt angesehen Arabidopsis Proteine ​​und fanden Beweise dafür, dass sie als „Hubs“ oder Kontrollpunkte für das pflanzliche Immunsystem und verwandte Systeme dienen.“

Ecker und seine Kollegen hoffen, dass diese Studien den Beginn einer Phase rascher Fortschritte beim Verständnis der Pflanzenbiologie und bei der Nutzung dieses Wissens zum Nutzen des Menschen markieren. „Dies gibt uns einen umfassenden Überblick über die Vorgehensweise auf Systemebene Arabidopsis funktioniert, und ein Großteil dieses Bildes auf Systemebene wird für andere Pflanzenarten relevant sein und als Leitfaden für weitere Forschungen dienen, einschließlich solcher, die in der menschlichen Landwirtschaft und sogar in Arzneimitteln verwendet werden“, sagt Ecker.

Das „Arabidopsis Interactome Mapping Consortium“ besteht aus über 20 nationalen und internationalen Labors, die mit Unterstützung einer Reihe von Förderorganisationen, darunter der National Science Foundation und den National Institutes of Health, zu dieser Studie beitragen.

Über die National Science Foundation (NSF):
Die National Science Foundation ist eine unabhängige Bundesbehörde, die 1950 vom Kongress gegründet wurde, „um den Fortschritt der Wissenschaft zu fördern; die Gesundheit, den Wohlstand und das Wohlergehen des Landes zu fördern; um die Landesverteidigung zu sichern…“ Die Ziele der NSF – Entdeckung, Lernen, Forschungsinfrastruktur und Verwaltung – bieten eine integrierte Strategie, um die Grenzen des Wissens voranzutreiben, erstklassige Arbeitskräfte in Wissenschaft und Technik zu fördern, die wissenschaftliche Kompetenz aller Bürger zu erweitern und aufzubauen die Forschungskapazität des Landes durch Investitionen in fortschrittliche Instrumente und Einrichtungen zu stärken und Spitzenleistungen in der wissenschaftlichen und technischen Forschung und Bildung durch eine kompetente und reaktionsfähige Organisation zu unterstützen. Weitere Informationen zu NSF finden Sie unter www.nsf.gov.

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Die medizinische Forschungsagentur des Landes – umfasst 27 Institute und Zentren und ist Teil des US-Gesundheitsministeriums. Es ist die wichtigste Bundesbehörde für die Durchführung und Unterstützung grundlegender, klinischer und translationaler medizinischer Forschung und untersucht die Ursachen, Behandlungen und Heilmittel für häufige und seltene Krankheiten. Weitere Informationen zum NIH und seinen Programmen finden Sie unter www.nih.gov.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.