Los científicos dan un paso gigante para las personas: ¡con las plantas!

28 Julio 2011

Los científicos dan un paso gigante para las personas: ¡con las plantas!

Los investigadores del Instituto Salk y el Instituto del Cáncer Dana Farber contribuyen a la producción del mapa más grande jamás realizado de interacciones de proteínas vegetales

28 Julio 2011

La Jolla: la ciencia generalmente progresa en pequeños pasos, pero en raras ocasiones, una nueva combinación de experiencia en investigación y tecnología de punta produce un 'gran salto adelante'. Un equipo internacional de científicos, cuyos investigadores principales incluyen al biólogo de plantas del Instituto Salk José Ecker, informa uno de esos saltos en la edición del 29 de julio de 2011 de Science. Describen su mapeo y análisis tempranos de miles de interacciones proteína a proteína dentro de las células de Arabidopsis thaliana -una variedad de planta de mostaza que es para biología vegetal lo que el ratón de laboratorio es para la biología humana.

"Con este estudio logramos duplicar los datos de interacción de proteínas vegetales que están disponibles para los científicos", dice Ecker, profesor en el Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas. "Estos datos, junto con los datos de futuros estudios de mapeo de 'interactomas' como este, deberían permitir a los biólogos hacer que las plantas agrícolas sean más resistentes a la sequía y las enfermedades, más nutritivas y, en general, más útiles para la humanidad".

El proyecto de cuatro años fue financiado por una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de $ 8 millones y fue dirigido por Marc Vidal, Pascal Braun, David Hill y colegas en el Instituto del Cáncer Dana Farber en Boston; y Ecker en el Instituto Salk. “Fue una colaboración natural”, dice Vidal, “porque Joe y sus colegas del Instituto Salk ya habían secuenciado el Arabidopsis genoma y había clonado muchos de los genes que codifican proteínas, mientras que de nuestro lado en el Instituto Dana Farber teníamos experiencia en hacer estos mapas de interacción de proteínas para otros organismos como la levadura”.

En las etapas iniciales del proyecto, los miembros del laboratorio de Ecker dirigidos por la técnica de investigación Mary Galli convirtieron la mayor parte de su biblioteca acumulada de Arabidopsis clones de genes que codifican proteínas en una forma útil para las pruebas de interacción de proteínas. “Para este proyecto, se convirtieron más de 10,000 XNUMX clones de 'marco de lectura abierto' y se verificó la secuencia en preparación para la detección de interacción de proteínas”, dice Galli.

Vidal, Braun, Hill y sus colegas realizaron sistemáticamente estos marcos de lectura abiertos a través de un proceso de detección de interacción de proteínas de alta calidad, basado en una prueba conocida como la detección de dos híbridos de levadura. De más de cuarenta millones de posibles combinaciones de pares, encontraron un total de 6,205 Arabidopsis interacciones proteína-proteína, involucrando 2,774 proteínas individuales. Los investigadores confirmaron la alta calidad de estos datos, por ejemplo, mostrando su superposición con los datos de interacción de proteínas de estudios anteriores.

El nuevo mapa de 6,205 asociaciones de proteínas representa solo alrededor del dos por ciento del "interactoma" proteína-proteína completo para Arabidopsis, ya que la prueba de detección cubrió solo un tercio de todos Arabidopsis proteínas, y no era lo suficientemente sensible para detectar muchas interacciones de proteínas más débiles. “Habrá mapas más grandes después de este”, dice Ecker.

Sin embargo, incluso como paso preliminar, el nuevo mapa es claramente útil. Los investigadores pudieron clasificar los pares de interacción de proteínas que encontraron en grupos funcionales, revelando redes y "comunidades" de proteínas que trabajan juntas. "Había muy poca información, por ejemplo, sobre cómo las vías de señalización de las hormonas vegetales se comunican entre sí", dice Ecker. "Pero en este estudio pudimos encontrar una serie de vínculos intrigantes entre estas vías".

Un análisis más detallado de su mapa proporcionó una nueva perspectiva sobre la evolución de las plantas. Ecker y colegas Arabidopsis Los datos del genoma, informados hace una década, habían revelado que las plantas duplican aleatoriamente sus genes en una medida mucho mayor que los animales. Estos eventos de duplicación de genes aparentemente les dan a las plantas algo de la versatilidad genética que necesitan para adaptarse a entornos cambiantes. En este estudio, los investigadores encontraron 1900 pares de sus proteínas mapeadas que parecían ser productos de antiguos eventos de duplicación de genes.

Usando técnicas avanzadas de datación genómica, los investigadores pudieron medir el lapso de tiempo desde cada uno de estos eventos de duplicación de genes (el lapso más largo fue de 700 millones de años) y compararlo con los cambios en los socios de interacción de las dos proteínas. “Esto proporciona una medida de cómo la evolución ha reconfigurado las funciones de estas proteínas”, dice Vidal. “Nuestro gran conjunto de datos de alta calidad y la frecuencia naturalmente alta de estas duplicaciones de genes en Arabidopsis nos permitió hacer tal análisis por primera vez.”

Los investigadores encontraron evidencia de que el Arabidopsis Las asociaciones de proteínas tienden a cambiar rápidamente después del evento de duplicación, luego más lentamente a medida que el gen duplicado se establece en su nueva función y se mantiene allí por la presión evolutiva. “Aunque la divergencia de las secuencias de aminoácidos de estas proteínas puede continuar, la divergencia en términos de sus respectivos socios se ralentiza drásticamente después de un cambio inicial rápido, que no esperábamos ver”, dice Vidal.

En la edición de julio de 29 de Ciencias: investigadores de la Arabidopsis El estudio de mapeo del interactoma informó otra demostración de la utilidad de su enfoque. Dirigidos por Jeffery L. Dangl de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, examinaron Arabidopsis interacciones de proteínas con la bacteria Pseudomonas syringae (psi) y un microbio parecido a un hongo llamado Hyalopererospora arabidopsidis (Hpa). "Aunque estos dos patógenos están separados por alrededor de mil millones de años de evolución, resulta que las proteínas 'efectoras' que usan para subvertir Arabidopsis Durante la infección, las células están dirigidas contra el mismo conjunto de células altamente conectadas. Arabidopsis proteínas”, dice Ecker. “Observamos algunos de estos objetivos Arabidopsis proteínas y encontró evidencia de que sirven como 'centros' o puntos de control para el sistema inmunológico de la planta y los sistemas relacionados".

Ecker y sus colegas esperan que estos estudios marquen el comienzo de un período de rápido avance en la comprensión de la biología de las plantas y en la utilización de ese conocimiento para el beneficio humano. “Esto comienza a darnos una gran imagen a nivel de sistemas de cómo Arabidopsis funciona, y gran parte de esa imagen a nivel de sistemas será relevante para otras especies de plantas, incluidas las que se utilizan en la agricultura humana e incluso en productos farmacéuticos, y guiará futuras investigaciones sobre ellas”, dice Ecker.

El “Consorcio de mapeo de Arabidopsis Interactome” consta de más de 20 laboratorios nacionales e internacionales que contribuyen a este estudio con el apoyo de una serie de agencias de financiación, incluida la Fundación Nacional de Ciencias y los Institutos Nacionales de Salud.

Acerca de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF):
La Fundación Nacional de Ciencias es una agencia federal independiente creada por el Congreso en 1950 “para promover el progreso de la ciencia; promover la salud, la prosperidad y el bienestar nacionales; para asegurar la defensa nacional…” Los objetivos de la NSF (descubrimiento, aprendizaje, infraestructura de investigación y administración) brindan una estrategia integrada para avanzar en las fronteras del conocimiento, cultivar una fuerza laboral de ciencia e ingeniería de clase mundial, expandir la alfabetización científica de todos los ciudadanos y construir la capacidad de investigación de la nación a través de inversiones en instrumentación e instalaciones avanzadas, y apoyar la excelencia en la investigación y educación en ciencia e ingeniería a través de una organización capaz y receptiva. Para obtener más información acerca de NSF, visite www.nsf.gov.

Acerca de los Institutos Nacionales de Salud (NIH):
La Agencia de Investigación Médica de la Nación: incluye 27 Institutos y Centros y es un componente del Departamento de Salud y Servicios Humanos de los EE. UU. Es la agencia federal principal para realizar y apoyar la investigación médica básica, clínica y traslacional, e investiga las causas, los tratamientos y las curas para enfermedades comunes y raras. Para obtener más información sobre los NIH y sus programas, visite www.nih.gov.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.