Wetenschappers zetten een reuzenstap voor mensen - met planten!

July 28, 2011

Wetenschappers zetten een reuzenstap voor mensen – met planten!

Onderzoekers van het Salk Institute en het Dana Farber Cancer Institute dragen bij aan de productie van de grootste kaart ooit van interacties tussen plantaardige eiwitten

July 28, 2011

La Jolla—Wetenschap gaat meestal in kleine stapjes vooruit, maar in zeldzame gevallen levert een nieuwe combinatie van onderzoeksexpertise en geavanceerde technologie een 'grote sprong voorwaarts' op. Een internationaal team van wetenschappers, waarvan de senior onderzoekers onder meer de plantenbioloog van het Salk Institute zijn Joseph Ekker, rapporteer een dergelijke sprong in het nummer van 29 juli 2011 van Science. Ze beschrijven hun mapping en vroege analyses van duizenden eiwit-naar-eiwit interacties binnen de cellen van Arabidopsis thaliana -een variëteit aan mosterdplant dat is aan plantenbiologie wat de laboratoriummuis is voor de menselijke biologie.

"Met deze ene studie zijn we erin geslaagd om de gegevens over interactie tussen planteneiwitten die beschikbaar zijn voor wetenschappers te verdubbelen", zegt Ecker, een professor in het Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory. "Deze gegevens, samen met gegevens van toekomstige 'interactome' mappingstudies zoals deze, zouden biologen in staat moeten stellen om landbouwplanten beter bestand te maken tegen droogte en ziekten, voedzamer en in het algemeen nuttiger voor de mensheid."

Het vierjarige project werd gefinancierd door een subsidie ​​van de National Science Foundation van $ 8 miljoen en werd geleid door Marc Vidal, Pascal Braun, David Hill en collega's van het Dana Farber Cancer Institute in Boston; en Ecker aan het Salk Instituut. "Het was een natuurlijke samenwerking", zegt Vidal, "omdat Joe en zijn collega's van het Salk Institute de Arabidopsis genoom en had veel van de eiwitcoderende genen gekloond, terwijl we aan onze kant bij het Dana Farber Institute ervaring hadden met het maken van deze eiwitinteractiekaarten voor andere organismen zoals gist.

In de beginfase van het project hebben leden van Ecker's lab onder leiding van onderzoekstechnicus Mary Galli het grootste deel van hun opgebouwde bibliotheek met Arabidopsis eiwit-coderende genklonen in een vorm die bruikbaar is voor eiwit-interactietests. "Voor dit project werden meer dan 10,000 'open leesraam'-klonen geconverteerd en de sequentie geverifieerd ter voorbereiding op eiwitinteractiescreening", zegt Galli.

Vidal, Braun, Hill en hun collega's hebben deze open leesramen systematisch door een hoogwaardig eiwit-interactie screeningproces geleid, gebaseerd op een test die bekend staat als de gist twee-hybride screening. Van de meer dan veertig miljoen mogelijke paarcombinaties vonden ze er in totaal 6,205 Arabidopsis eiwit-eiwit interacties, waarbij 2,774 individuele eiwitten betrokken zijn. De onderzoekers bevestigden de hoge kwaliteit van deze gegevens, bijvoorbeeld door hun overlap met eiwitinteractiegegevens uit eerdere studies aan te tonen.

De nieuwe kaart van 6,205 eiwitpartnerschappen vertegenwoordigt slechts ongeveer twee procent van het volledige eiwit-eiwit "interactoom" voor Arabidopsis, aangezien de onderzoekstest slechts een derde van allen omvatte Arabidopsis eiwitten en was niet gevoelig genoeg om veel zwakkere eiwitinteracties te detecteren. "Na deze zullen er grotere kaarten zijn", zegt Ecker.

Maar zelfs als voorbereidende stap is de nieuwe kaart duidelijk nuttig. De onderzoekers waren in staat om de eiwitinteractieparen die ze vonden in functionele groepen te sorteren, waardoor netwerken en 'gemeenschappen' van eiwitten die samenwerken, werden onthuld. "Er was bijvoorbeeld heel weinig informatie over hoe planthormoonsignaleringsroutes met elkaar communiceren", zegt Ecker. "Maar in deze studie konden we een aantal intrigerende verbanden tussen deze paden vinden."

Een verdere analyse van hun kaart gaf nieuw inzicht in de evolutie van planten. Ecker en collega's Arabidopsis genoomgegevens, tien jaar geleden gerapporteerd, hadden onthuld dat planten hun genen willekeurig in veel grotere mate dupliceren dan dieren. Deze genduplicatie-gebeurtenissen geven planten blijkbaar een deel van de genetische veelzijdigheid die ze nodig hebben om aangepast te blijven aan veranderende omgevingen. In deze studie vonden de onderzoekers 1900 paren van hun in kaart gebrachte eiwitten die het product leken te zijn van oude genduplicatiegebeurtenissen.

Met behulp van geavanceerde genomische dateringstechnieken konden de onderzoekers de tijdsspanne meten sinds elk van deze genduplicatie-gebeurtenissen - de langste tijdsspanne is 700 miljoen jaar - en deze vergelijken met de veranderingen in de interactiepartners van de twee eiwitten. "Dit geeft een maatstaf voor hoe de evolutie de functies van deze eiwitten opnieuw heeft bedraad", zegt Vidal. "Onze grote, hoogwaardige dataset en de natuurlijk hoge frequentie van deze genduplicaties in Arabidopsis stelden ons voor het eerst in staat om zo’n analyse te maken.”

De onderzoekers vonden bewijs dat de Arabidopsis eiwitpartnerschappen hebben de neiging om snel te veranderen na de duplicatiegebeurtenis, en daarna langzamer naarmate het gedupliceerde gen zich in zijn nieuwe functie nestelt en daar wordt vastgehouden door evolutionaire druk. "Hoewel de divergentie van de aminozuursequenties van deze eiwitten kan doorgaan, vertraagt ​​de divergentie in termen van hun respectievelijke partners drastisch na een snelle initiële verandering, die we niet hadden verwacht", zegt Vidal.

In het nummer van juli 29 van Wetenschap onderzoekers van de Arabidopsis Interactome mapping-studie rapporteerde nog een andere demonstratie van het nut van hun aanpak. Onder leiding van Jeffery L. Dangl van de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill, onderzochten ze Arabidopsis eiwitinteracties met de bacterie Pseudomonas syringae (Psy) en een schimmelachtige microbe genaamd Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa). "Hoewel deze twee ziekteverwekkers ongeveer een miljard jaar evolutie van elkaar verwijderd zijn, blijkt dat de 'effector'-eiwitten die ze gebruiken om Arabidopsis cellen tijdens infectie zijn beide gericht tegen dezelfde groep sterk verbonden Arabidopsis eiwitten', zegt Ecker. “We hebben een aantal van deze gericht bekeken Arabidopsis eiwitten en vond bewijs dat ze dienen als 'hubs' of controlepunten voor het immuunsysteem van de plant en aanverwante systemen."

Ecker en zijn collega's hopen dat deze studies het begin markeren van een periode van snelle vooruitgang in het begrijpen van de plantenbiologie en in het toepassen van die kennis in het voordeel van de mens. "Dit begint ons een groot beeld op systeemniveau te geven van hoe Arabidopsis werkt, en veel van dat beeld op systeemniveau zal relevant zijn voor – en zal leidend zijn voor verder onderzoek naar – andere plantensoorten, waaronder die welke worden gebruikt in de menselijke landbouw en zelfs in de farmaceutische industrie”, zegt Ecker.

Het "Arabidopsis Interactome Mapping Consortium" bestaat uit meer dan 20 nationale en internationale laboratoria die bijdragen aan deze studie met steun van een aantal financieringsinstanties, waaronder de National Science Foundation en de National Institutes of Health.

Over de National Science Foundation (NSF):
De National Science Foundation is een onafhankelijk federaal agentschap opgericht door het Congres in 1950 “om de vooruitgang van de wetenschap te bevorderen; om de nationale gezondheid, welvaart en welzijn te bevorderen; om de nationale defensie veilig te stellen…” De doelen van NSF - ontdekking, leren, onderzoeksinfrastructuur en rentmeesterschap - bieden een geïntegreerde strategie om de grenzen van kennis te verleggen, een wetenschappelijk en technisch personeelsbestand van wereldklasse te cultiveren, de wetenschappelijke geletterdheid van alle burgers uit te breiden en op te bouwen de onderzoekscapaciteit van het land door middel van investeringen in geavanceerde instrumenten en faciliteiten, en excellentie in wetenschappelijk en technisch onderzoek en onderwijs ondersteunen via een capabele en responsieve organisatie. Voor meer informatie over NSF, bezoek www.nsf.gov.

Over de National Institutes of Health (NIH):
The Nation's Medical Research Agency - omvat 27 instituten en centra en maakt deel uit van het Amerikaanse ministerie van Volksgezondheid en Human Services. Het is het belangrijkste federale agentschap voor het uitvoeren en ondersteunen van fundamenteel, klinisch en translationeel medisch onderzoek, en het onderzoekt de oorzaken, behandelingen en behandelingen voor zowel veel voorkomende als zeldzame ziekten. Ga voor meer informatie over NIH en haar programma's naar www.nih.gov.

Over het Salk Instituut voor Biologische Studies:
Het Salk Institute for Biological Studies is een van 's werelds meest vooraanstaande instellingen voor fundamenteel onderzoek, waar internationaal gerenommeerde faculteiten fundamentele levenswetenschappelijke vragen onderzoeken in een unieke, collaboratieve en creatieve omgeving. Salk-wetenschappers zijn zowel gericht op ontdekking als op het begeleiden van toekomstige generaties onderzoekers en leveren baanbrekende bijdragen aan ons begrip van kanker, veroudering, Alzheimer, diabetes en infectieziekten door neurowetenschappen, genetica, cel- en plantenbiologie en aanverwante disciplines te bestuderen.

Faculteitsprestaties zijn erkend met tal van onderscheidingen, waaronder Nobelprijzen en lidmaatschappen van de National Academy of Sciences. Het instituut, opgericht in 1960 door poliovaccinpionier Jonas Salk, MD, is een onafhankelijke non-profitorganisatie en architectonisch monument.