Ученые делают гигантский шаг для людей — с растениями!

Июль 28, 2011

Ученые делают гигантский шаг для людей — с растениями!

Исследователи Института Солка и Института рака Даны Фарбер внесли свой вклад в создание крупнейшей в мире карты взаимодействий растительных белков.

Июль 28, 2011

Ла-Хойя. Обычно наука развивается небольшими шагами, но в редких случаях новое сочетание исследовательского опыта и передовых технологий приводит к «большому скачку вперед». Международная группа ученых, в число ведущих исследователей которой входит биолог из Института Солка. Джозеф Экер, сообщают об одном таком скачке в выпуске журнала Science от 29 июля 2011 года. Они описывают свое картирование и ранний анализ тысяч белок-белковых взаимодействий внутри клеток. Arabidopsis thaliana - разновидность горчичного растения, биология растений что лабораторная мышь для биологии человека.

«С помощью этого единственного исследования нам удалось удвоить данные о взаимодействии белков растений, которые доступны ученым», — говорит Экер, профессор Лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений. «Эти данные вместе с данными будущих интерактивных картографических исследований, подобных этому, должны позволить биологам сделать сельскохозяйственные растения более устойчивыми к засухе и болезням, более питательными и в целом более полезными для человечества».

Четырехлетний проект финансировался за счет гранта Национального научного фонда в размере 8 миллионов долларов, и его возглавляли Марк Видаль, Паскаль Браун, Дэвид Хилл и их коллеги из Института рака Даны Фарбер в Бостоне; и Экер в Институте Солка. «Это было естественное сотрудничество, — говорит Видаль, — потому что Джо и его коллеги из Института Солка уже секвенировали Arabidopsis геном и клонировали многие гены, кодирующие белок, тогда как у нас в Институте Даны Фарбера был опыт создания карт взаимодействия белков для других организмов, таких как дрожжи».

На начальных этапах проекта сотрудники лаборатории Экера под руководством научного сотрудника Мэри Галли преобразовали большую часть своей накопленной библиотеки Arabidopsis клонирует ген, кодирующий белок, в форму, полезную для тестов взаимодействия с белками. «Для этого проекта более 10,000 XNUMX клонов с «открытой рамкой считывания» были преобразованы и проверены последовательности в рамках подготовки к скринингу белковых взаимодействий», — говорит Галли.

Видаль, Браун, Хилл и их коллеги систематически подвергали эти открытые рамки считывания процессу высококачественного скрининга взаимодействия белков, основанному на тесте, известном как двухгибридный скрининг дрожжей. Из более чем сорока миллионов возможных комбинаций пар они нашли в общей сложности 6,205. Arabidopsis белок-белковые взаимодействия с участием 2,774 отдельных белков. Исследователи подтвердили высокое качество этих данных, например, показав их совпадение с данными о взаимодействии белков из прошлых исследований.

Новая карта 6,205 белковых партнерств представляет собой лишь около двух процентов полного межбелкового «интерактома» для Arabidopsis, так как скрининговый тест охватил только треть всех Arabidopsis белки, и не был достаточно чувствителен, чтобы обнаружить многие более слабые взаимодействия белков. «После этой будут карты большего размера», — говорит Экер.

Однако даже в качестве предварительного шага новая карта явно полезна. Исследователи смогли отсортировать найденные ими пары белковых взаимодействий по функциональным группам, выявив сети и «сообщества» белков, которые работают вместе. «Например, было очень мало информации о том, как сигнальные пути растительных гормонов взаимодействуют друг с другом», — говорит Экер. «Но в этом исследовании мы смогли найти ряд интригующих связей между этими путями».

Дальнейший анализ их карты позволил по-новому взглянуть на эволюцию растений. Эккер и его коллеги Arabidopsis данные генома, опубликованные десять лет назад, показали, что растения случайным образом дублируют свои гены в гораздо большей степени, чем животные. Эти события дупликации генов, по-видимому, дают растениям некоторую генетическую универсальность, необходимую им для адаптации к изменяющимся условиям. В этом исследовании исследователи обнаружили 1900 пар своих картированных белков, которые оказались продуктами древних событий дупликации генов.

Используя передовые методы геномного датирования, исследователи смогли измерить промежуток времени, прошедший после каждого из этих событий дупликации генов (самый длинный промежуток времени составляет 700 миллионов лет), и сравнить его с изменениями в партнерах по взаимодействию двух белков. «Это дает представление о том, как эволюция изменила функции этих белков», — говорит Видаль. «Наш большой высококачественный набор данных и естественно высокая частота этих дупликаций генов в Arabidopsis позволили нам провести такой анализ впервые».

Исследователи нашли доказательства того, что Arabidopsis белковые партнерства имеют тенденцию изменяться быстро после события дупликации, а затем медленнее, по мере того как дуплицированный ген приспосабливается к своей новой функции и удерживается там эволюционным давлением. «Даже несмотря на то, что расхождение аминокислотных последовательностей этих белков может продолжаться, расхождение с точки зрения их соответствующих партнеров резко замедляется после быстрого первоначального изменения, которого мы не ожидали увидеть», — говорит Видаль.

В июльском выпуске 29 года Наука исследователи из Arabidopsis Исследование картирования интерактомов показало еще одну демонстрацию полезности их подхода. Под руководством Джеффри Л. Дангла из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл они исследовали Arabidopsis взаимодействие белков с бактериями Pseudomonas syringae (Psy) и похожий на грибок микроб под названием Гиалопероноспора арабидопсидис (Hpa). «Несмотря на то, что эти два патогена разделены примерно миллиардом лет эволюции, оказывается, что «эффекторные» белки, которые они используют для разрушения Arabidopsis клетки во время инфекции нацелены против одного и того же набора сильно связанных Arabidopsis белков», — говорит Экер. «Мы рассмотрели некоторые из этих целевых Arabidopsis белки и нашли доказательства того, что они служат «концентраторами» или контрольными точками для иммунной системы растений и связанных с ней систем».

Экер и его коллеги надеются, что эти исследования знаменуют начало периода быстрого прогресса в понимании биологии растений и в использовании этих знаний на благо человека. «Это начинает давать нам большую картину на системном уровне того, как Arabidopsis работает, и большая часть этой картины на системном уровне будет иметь отношение к другим видам растений, включая те, которые используются в сельском хозяйстве и даже в фармацевтике, и направлять дальнейшие исследования», — говорит Экер.

«Консорциум по интерактомному картированию арабидопсиса» состоит из более чем 20 национальных и международных лабораторий, которые вносят свой вклад в это исследование при поддержке ряда финансирующих агентств, включая Национальный научный фонд и Национальные институты здравоохранения.

О Национальном научном фонде (NSF):
Национальный научный фонд — независимое федеральное агентство, созданное Конгрессом в 1950 году «для содействия прогрессу науки; продвигать национальное здоровье, процветание и благополучие; обеспечить национальную оборону...» Цели NSF — открытие, обучение, исследовательская инфраструктура и управление — обеспечивают интегрированную стратегию для расширения границ знаний, выращивания научных и инженерных кадров мирового класса, повышения научной грамотности всех граждан и создания научно-исследовательский потенциал страны за счет инвестиций в передовые приборы и оборудование, а также поддерживать передовые достижения в области научных и инженерных исследований и образования с помощью способной и гибкой организации. Для получения дополнительной информации о NSF посетите www.nsf.gov.

О Национальных Институтах Здоровья (NIH):
Национальное агентство медицинских исследований – включает 27 институтов и центров и является частью Министерства здравоохранения и социальных служб США. Это основное федеральное агентство по проведению и поддержке фундаментальных, клинических и трансляционных медицинских исследований, а также по изучению причин, методов лечения и лечения как распространенных, так и редких заболеваний. Для получения дополнительной информации о NIH и его программах посетите www.nih.gov.

О Солковском институте биологических исследований:
Институт биологических исследований Солка является одним из выдающихся в мире институтов фундаментальных исследований, где всемирно известные преподаватели исследуют фундаментальные вопросы науки о жизни в уникальной, совместной и творческой среде. Сосредоточенные как на открытиях, так и на наставничестве будущих поколений исследователей, ученые Солка вносят новаторский вклад в наше понимание рака, старения, болезни Альцгеймера, диабета и инфекционных заболеваний, изучая неврологию, генетику, клеточную и растительную биологию и смежные дисциплины.

Достижения факультета были отмечены многочисленными наградами, в том числе Нобелевскими премиями и членством в Национальной академии наук. Основанный в 1960 году пионером вакцины против полиомиелита Джонасом Солком, доктором медицины, Институт является независимой некоммерческой организацией и памятником архитектуры.