Gli scienziati fanno un passo da gigante per l'uomo: con le piante!

Luglio 28, 2011

Gli scienziati fanno un passo da gigante per l'uomo: con le piante!

I ricercatori del Salk Institute e del Dana Farber Cancer Institute contribuiscono alla produzione della più grande mappa mai realizzata delle interazioni tra proteine vegetali

Luglio 28, 2011

La Jolla - La scienza di solito progredisce a piccoli passi, ma in rare occasioni una nuova combinazione di competenze di ricerca e tecnologie all'avanguardia produce un "grande balzo in avanti". Un team internazionale di scienziati, tra i cui ricercatori senior figura un biologo vegetale del Salk Institute Giuseppe Ecker, riportano uno di questi salti nel numero del 29 luglio 2011 di Science. Descrivono la loro mappatura e le prime analisi di migliaia di interazioni proteina-proteina all'interno delle cellule di Arabidopsis thaliana -una varietà di pianta di senape che è biologia vegetale ciò che il topo da laboratorio rappresenta per la biologia umana.

"Con questo studio siamo riusciti a raddoppiare i dati sull'interazione tra proteine vegetali a disposizione degli scienziati", afferma Ecker, professore presso il Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory. "Questi dati, insieme a quelli derivanti da futuri studi di mappatura dell'interattoma come questo, dovrebbero consentire ai biologi di rendere le piante agricole più resistenti alla siccità e alle malattie, più nutrienti e, in generale, più utili all'umanità".

Il progetto quadriennale è stato finanziato da una sovvenzione della National Science Foundation di 8 milioni di dollari ed è stato guidato da Marc Vidal, Pascal Braun, David Hill e colleghi del Dana Farber Cancer Institute di Boston; e da Ecker del Salk Institute. "È stata una collaborazione naturale", afferma Vidal, "perché Joe e i suoi colleghi del Salk Institute avevano già sequenziato il Arabidopsis genoma e avevamo clonato molti dei geni che codificano le proteine, mentre noi del Dana Farber Institute avevamo esperienza nella creazione di queste mappe di interazione proteica per altri organismi come il lievito."

Nelle fasi iniziali del progetto, i membri del laboratorio di Ecker guidati dal tecnico di ricerca Mary Galli hanno convertito la maggior parte della loro biblioteca accumulata di Arabidopsis cloni genici codificanti proteine in una forma utile per i test di interazione proteica. "Per questo progetto, oltre 10,000 cloni 'open reading frame' sono stati convertiti e la loro sequenza è stata verificata in preparazione allo screening delle interazioni proteiche", afferma Galli.

Vidal, Braun, Hill e i loro colleghi hanno sottoposto sistematicamente questi frame di lettura aperti a un processo di screening di alta qualità per l'interazione proteica, basato su un test noto come screening a due ibridi del lievito. Su oltre quaranta milioni di possibili combinazioni di coppie, hanno trovato un totale di 6,205 Arabidopsis Interazioni proteina-proteina, che coinvolgono 2,774 singole proteine. I ricercatori hanno confermato l'elevata qualità di questi dati, ad esempio mostrando la loro sovrapposizione con i dati di interazione proteica di studi precedenti.

La nuova mappa di 6,205 associazioni proteiche rappresenta solo circa il due percento dell'intero "interattoma" proteina-proteina per Arabidopsis, poiché il test di screening ha coperto solo un terzo di tutti Arabidopsis proteine, e non era abbastanza sensibile da rilevare molte interazioni proteiche più deboli. "Dopo questa, ci saranno mappe più ampie", afferma Ecker.

Anche come fase preliminare, tuttavia, la nuova mappa è chiaramente utile. I ricercatori sono stati in grado di classificare le coppie di interazione proteica individuate in gruppi funzionali, rivelando reti e "comunità" di proteine che interagiscono tra loro. "Ad esempio, si avevano pochissime informazioni su come le vie di segnalazione degli ormoni vegetali comunicano tra loro", afferma Ecker. "Ma in questo studio siamo riusciti a trovare una serie di interessanti collegamenti tra queste vie".

Un'ulteriore analisi della loro mappa ha fornito nuove informazioni sull'evoluzione delle piante. Ecker e colleghi Arabidopsis I dati del genoma, pubblicati un decennio fa, avevano rivelato che le piante duplicano casualmente i loro geni in misura molto maggiore rispetto agli animali. Questi eventi di duplicazione genica apparentemente conferiscono alle piante parte della versatilità genetica di cui hanno bisogno per adattarsi ai mutevoli ambienti. In questo studio, i ricercatori hanno trovato 1900 coppie di proteine da loro mappate che sembravano essere il prodotto di antichi eventi di duplicazione genica.

Utilizzando tecniche avanzate di datazione genomica, i ricercatori sono stati in grado di misurare l'intervallo di tempo trascorso da ciascuno di questi eventi di duplicazione genica – il più lungo è stato di 700 milioni di anni – e di confrontarlo con i cambiamenti nei partner di interazione delle due proteine. "Questo fornisce una misura di come l'evoluzione abbia riprogrammato le funzioni di queste proteine", afferma Vidal. "Il nostro ampio set di dati di alta qualità e la frequenza naturalmente elevata di queste duplicazioni geniche in Arabidopsis ci ha permesso di effettuare un'analisi del genere per la prima volta."

I ricercatori hanno trovato prove che il Arabidopsis Le associazioni proteiche tendono a cambiare rapidamente dopo l'evento di duplicazione, poi più lentamente man mano che il gene duplicato si assesta nella sua nuova funzione e vi viene mantenuto dalla pressione evolutiva. "Anche se la divergenza delle sequenze amminoacidiche di queste proteine può continuare, la divergenza in termini dei rispettivi partner rallenta drasticamente dopo un rapido cambiamento iniziale, cosa che non ci aspettavamo di vedere", afferma Vidal.

Nel numero del 29 luglio di Scienze ricercatori provenienti dal Arabidopsis Lo studio sulla mappatura dell'interattoma ha riportato un'ulteriore dimostrazione dell'utilità del loro approccio. Guidati da Jeffery L. Dangl dell'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill, hanno esaminato Arabidopsis interazioni proteiche con il batterio Pseudomonas syringae (Psy) e un microbo simile a un fungo chiamato Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa). "Sebbene questi due patogeni siano separati da circa un miliardo di anni di evoluzione, si scopre che le proteine 'effettrici' che usano per sovvertire Arabidopsis le cellule durante l'infezione sono entrambe mirate allo stesso insieme di cellule altamente connesse Arabidopsis proteine", afferma Ecker. "Abbiamo esaminato alcune di queste proteine mirate Arabidopsis proteine e hanno trovato prove che fungono da "hub" o punti di controllo per il sistema immunitario delle piante e sistemi correlati."

Ecker e i suoi colleghi sperano che questi studi segnino l'inizio di un periodo di rapido progresso nella comprensione della biologia vegetale e nell'utilizzo di tale conoscenza a beneficio dell'uomo. "Questo inizia a darci un quadro generale, a livello di sistema, di come Arabidopsis funziona, e gran parte di questo quadro a livello di sistema sarà rilevante per altre specie vegetali, comprese quelle utilizzate nell'agricoltura umana e persino nei prodotti farmaceutici, e guiderà ulteriori ricerche su di esse", afferma Ecker.

L'“Arabidopsis Interactome Mapping Consortium” è composto da oltre 20 laboratori nazionali e internazionali che contribuiscono a questo studio con il supporto di numerose agenzie di finanziamento, tra cui la National Science Foundation e i National Institutes of Health.

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Il Salk Institute for Biological Studies è uno dei più importanti istituti di ricerca di base al mondo, dove docenti di fama internazionale affrontano questioni fondamentali delle scienze della vita in un ambiente unico, collaborativo e creativo. Concentrati sia sulla scoperta che sulla formazione delle future generazioni di ricercatori, gli scienziati del Salk forniscono contributi innovativi alla nostra comprensione di cancro, invecchiamento, Alzheimer, diabete e malattie infettive, studiando neuroscienze, genetica, biologia cellulare e vegetale e discipline correlate.

I risultati conseguiti dal corpo docente sono stati riconosciuti con numerosi riconoscimenti, tra cui premi Nobel e l'iscrizione alla National Academy of Sciences. Fondato nel 1960 dal pioniere del vaccino contro la poliomielite Jonas Salk, l'Istituto è un'organizzazione indipendente senza scopo di lucro e un punto di riferimento architettonico.