Klein maar krachtig: kleine eiwitten met een grote rol in de biologie

Klein maar krachtig: kleine eiwitten met een grote rol in de biologie

Wetenschappers van Salk ontdekken een klein eiwit dat belangrijk is voor de cellulaire huishouding

LA JOLLA - We weten allemaal hoe moeilijk het is om iets kleins te vinden, zoals een gevallen contactlens die opgaat in de achtergrond. Het is net zo moeilijk voor biologen om kleine eiwitten te vinden tegen de complexe achtergrond van de cel. Maar wetenschappers leren steeds meer dat dergelijke micro-eiwitten, die door traditionele detectiemethoden over het hoofd worden gezien, ook een belangrijke biologische rol spelen.

Met behulp van een nieuwe strategie voor het detecteren van micro-eiwitten ontdekten Salk-wetenschappers een menselijk micro-eiwit dat betrokken is bij een van de belangrijkste huishoudelijke taken van de cel: het opruimen van genetisch materiaal dat niet langer nodig is. Het nieuwe molecuul zou een beter begrip kunnen geven van hoe de niveaus van genen, inclusief ziektegenen, in de cel worden gecontroleerd.

"Ondanks hoeveel we weten over het menselijk genoom, zijn er nog steeds blinde vlekken in de algoritmen voor het ontdekken van het genoom", zegt Alan Saghatelian, professor Salk en een van de senior auteurs van het artikel dat verschijnt in het nummer van 5 december 2016 van Natuur Chemische biologie. "Je kunt het hele menselijke genoom sequensen en nooit weten dat een eiwit, zoals dit, er was omdat het te kort is en onder de gebruikelijke lengtevereiste valt voor algoritmen voor het toewijzen van genen."

In cellen wordt het DNA van een gen getranscribeerd in mRNA, dat vervolgens de aanmaak van specifieke eiwitten stuurt. Nadat het benodigde eiwit is gemaakt, wordt de RNA-blauwdruk gerecycled om de productie van het eiwit te stoppen. Hoewel dit proces cruciaal is voor gezonde cellen, was niemand op de hoogte van een essentieel microproteïne in dit proces, genaamd NoBody (voor niet-geannoteerd P-lichaam dissocierend polypeptide).

Saghatelian en Salk-onderzoeker Jiao Ma, met co-senior auteur Sarah Slavoff en eerste auteur Nadia D'Lima, beiden van Yale University, besloten NoBody te bestuderen omdat de sequentie ervan tijdens de evolutie behouden blijft, wat suggereert dat het een cruciale functie had in de menselijke biologie. Hun experimenten toonden aan dat NoBody interageert met eiwitten die betrokken zijn bij het mRNA-recyclingproces waarvan bekend is dat ze P-body-korrels vormen - clusters van mRNA's en eiwitten die de eerste stap uitvoeren bij het afbreken van de mRNA's. Het team ontdekte dat de introductie van NoBody in deze cellen de verdwijning van deze P-body-korrels veroorzaakte en dat veranderingen in NoBody-niveaus in cellen de RNA-recyclingroute kunnen verstoren, wat een biochemische functie voor NoBody en een potentieel doelwit voor toekomstige therapieën met betrekking tot RNA benadrukt. disfunctie.

Een deel van de reden waarom dit molecuul zo lang over het hoofd is gezien, is volgens Saghatelian dat niemand wist dat NoBody bestond. Bovendien zocht niemand naar microproteïnen omdat het onduidelijk was of microproteïnen belangrijke functies zouden hebben. "De ontdekking van NoBody en zijn functie in mRNA-recycling suggereert dat ten minste enkele van de honderden andere microproteïnen die we hebben gevonden ook functioneel kunnen zijn, wat een opwindend voorstel is", zegt hij.

Slavoff voegt eraan toe: "Het feit dat NoBody al die tijd aanwezig is geweest in dit intensief bestudeerde complex van eiwitten, maar volledig aan onze aandacht is ontsnapt, maakt duidelijk hoeveel meer momenteel onbekende micro-eiwitten in verband kunnen worden gebracht met essentiële cellulaire machines."

Om detectieproblemen te omzeilen en erachter te komen welke kleine microproteïnen mogelijk over het hoofd worden gezien, combineerden de auteurs van het artikel genomische sequencing en eiwitmassaspectrometrie (proteomics) om niet-geannoteerde microproteïnen te voorspellen en te identificeren. Het team begon met het isoleren van de inhoud van cellen van de algemeen bestudeerde myeloïde leukemiecellijn en het verwijderen van de grotere eiwitten om alleen de kleinere achter te laten. Vervolgens gebruikten ze een analytische chemietechniek genaamd vloeistofchromatografie-massaspectroscopie proteomics om de aminozuursequenties te bepalen van elk eiwit, inclusief microproteïnen, dat in het monster aanwezig was.

Om erachter te komen naar welke genen deze in kaart zijn gebracht, gebruikte het team een ​​zelfgemaakte computationele methode om elk mogelijk microproteïne te voorspellen op basis van het totale mRNA-gehalte van een myeloïde cel, waarvan ze de sequentie bepaalden met behulp van genomics-technieken. Deze aangepaste database werd vervolgens gebruikt om hun proteomics-gegevens te doorzoeken op nieuwe microproteïnen en leidde tot de ontdekking van meer dan 400 nieuwe microproteïnen, waaronder NoBody.

"We voorspellen miljoenen theoretische eiwitsequenties uit de genomics-gegevens, maar de sleutel was om te bepalen welke van die voorspelde sequenties echt zijn met behulp van massaspectrometrische gegevens", zegt Ma, die de leiding had over dit project in het Saghatelian-lab.

De groep denkt dat NoBody andere belangrijke microproteïnen kan signaleren die mogelijk betrokken zijn bij ziekten. Eiwitkorrels worden in veel biologische processen aangetroffen en zijn met name van belang bij neurologische aandoeningen, waarbij eiwitten samenklonteren en samenklonteren, zoals in de amyloïde plaques die verband houden met de ziekte van Alzheimer.

"Hoewel NoBody niet direct betrokken is bij de ziekte van Alzheimer of andere ziekten, suggereert deze ontdekking dat andere microproteïnen dat wel kunnen zijn", voegt Saghatelian toe, die ook de Dr. Frederik Paulsen-leerstoel bekleedt. "De zoektocht naar en karakterisering van deze andere microproteïnen in biologie en ziekte vertegenwoordigt een opwindende grens in de moleculaire biologie."

Andere auteurs op het papier waren onder meer Qian Chu van het Salk Institute, Lauren Winkler van Yale universiteit, Ken H. Loh van de Massachusetts Institute of Technology, Elizabeth O. Corpuz en Jens Lykke-Anderson van de University of California, San Diego, en Bogdan A. Budnik van Harvard University.

Het werk werd gefinancierd door een George E. Hewitt Foundation for Medical Research postdoctorale fellowship, de NIH, De Leona M. en Harry B. Helmsley Charitable Trust Grant, en Dr. Frederik Paulsen voorzitter/Ferring Pharmaceuticals.