Когда дела идут плохо, слизевики начинают синтезировать

16 августа 2006

Когда дела идут плохо, слизевики начинают синтезировать

16 августа 2006

Ла-Хойя, Калифорния – Во времена изобилия одноклеточная слизевики Dictyostelium discoideum ведет одиночный образ жизни, питаясь бактериями, засоряющими лесную подстилку. Но эти простые существа могут совершать героические акты развития: когда запасы пищи для бактерий иссякают, Dictyostelium амебы объединяются со своими соседями и образуют многоклеточную башню, предназначенную для спасения детей.

В предстоящем исследовании в Природа Химическая Биология, исследователи из Института биологических исследований Солка и Медицинского исследовательского совета молекулярной биологии (MRC) в Кембридже, Англия, используют традиционные и компьютерные методы, чтобы показать, как Dictyostelium синтезирует химический сигнал, называемый DIF-1, сокращенно от «Фактор, индуцирующий дифференцировку», необходимый для этой трансформации развития.

Сотрудничество, объясняет соавтор Джо Ноэль, доктор философии, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза в Солке, «показывает силу комбинированного подхода, включающего биоинформатику, энзимологию, структурную биологию и генетику, чтобы понять, почему организмы используют природные химические вещества для выживания и процветания в сложных экосистемах. ”

Когда слизевики голодают, они все вместе образуют многоклеточное слизнеподобное существо, которое в массовом порядке перемещается в теплое место. Там, в ответ на сигнал DIF-1, слизни буквально встают, и их клетки превращаются либо в столбик клеток стебля, либо в споровые клетки следующего поколения, которые садятся на вершину столба в ожидании восстановления запасов пищи.

Ноэль и Майкл Остин, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Ноэля и соавтор исследования, проявляют постоянный интерес к биосинтезу различных растительных и микробных поликетидов с помощью ферментов, известных как PKS типа III. Растения производят натуральные поликетиды, такие как флавоноиды и стильбены, для использования в качестве солнцезащитных средств, антибиотиков, цветочных пигментов и антиоксидантов. Объясняет Остин: «Все больше признается, что растительные поликетиды имеют значительные преимущества в рационе человека в качестве полезных для здоровья компонентов зеленого чая, красного вина и соевых бобов».

Оказывается, ДИФ-1 принадлежит к той же группе. «Прочитав обзорную статью о разнообразии встречающихся в природе поликетидов, мы поняли, что основная химическая структура DIF-1, важный сигнал развития в Dictyostelium, похож на натуральные продукты, производимые растительными ПКС III типа», — вспоминает Остин.

В то время, Dictyostelium находился в процессе секвенирования генома, а фрагменты необработанных данных секвенирования ДНК помещались в общедоступные базы данных. Остин вспоминал: «Однажды ночью я провел биоинформатический поиск, чтобы найти генетические доказательства, которые предполагали бы существование PKS типа III в организме человека. Dictyostelium». Использование различных компьютерных программ для поиска, сборки и перевода в кремнеземе Соответствующие необработанные фрагменты ДНК секвенируют сначала в гены, а затем в белки, которые эти гены кодируют, Остин реконструировал две последовательности генов, подобных PKS типа III, и также обнаружил сюрприз.

Неожиданно эти выведенные генетические чертежи ПКС типа III выявили каждый Dictyostelium PKS типа III для слияния с другими ферментативно активными белковыми доменами. Это невиданное ранее гибридное устройство работает как очень эффективная бригада ведер, которая синтезирует поликетидные молекулы в клетках слизевиков.

«Природа проложила путь для использования этого нового устройства доменов для биоинженерии более эффективных способов создания модифицированных поликетидов для использования человеком», — сказал Остин.

Подойдя к скамейке, Остин и Ноэль, менеджер лаборатории Марианна Боуман, изолировали себя. Dictyostelium ДНК, кодирующая домены PKS III типа, не только определила их структуру, которая действительно напоминала PKS растений, но и показала, что один из них, названный Steely2, составил химический каркас DIF-1 в пробирке. Оставалось только доказать, что слизевики сами использовали недавно открытый фермент для создания DIF-1.

Для этого Ноэль и Остин обратились к со-старшему автору Роберту Кею, доктору философии, Dictyostelium эксперт по клеточной дифференцировке и руководитель группы в MRC. «Мы написали статью и отправили версию Робу Кею со словами: «Вы нас не знаете, но вот что мы делаем. Биохимически мы идентифицировали механизм, который делает основной предшественник биоактивной молекулы DIF-1». “

Кей ответил, что он и соавтор Тамао Сайто, доктор философии, ученый в творческом отпуске в своей лаборатории, также сосредоточились на этих необычных генах PKS типа III после недавно завершенной окончательной сборки и аннотации всего. Dictyostelium геном, который был выполнен совместными усилиями многих ученых по всему миру, включая группу Кея.

Работая независимо друг от друга, Сайто и Кей удалили Dictyostelium ген Steely2. Мало того, что получившиеся «неполноценные» слизевики не могли создать DIF-1, они не могли построить спасательную башню, что было именно тем биологическим подтверждением, которое лаборатория Ноэля хотела услышать. Две лаборатории объединили данные и теперь публикуют свою работу как одну очень полную историю, продолжая при этом сотрудничать в изучении химического разнообразия этого удивительного организма, который ползает по лесной подстилке.

Говорит Ноэль, профессор Центра химической биологии и протеомики им. Джека Х. Скирболла в Солке: «Это прекрасный пример того, как эго отталкивается от того, кто что сделал, и вместо этого, как научное сообщество, группы объединяются, чтобы решить фундаментальный вопрос биологии. В процессе мы вместе обнаружили эффективный химический завод в дицитостелиум клетки, которые сообщают нам о том, как модифицировать аналогичные системы, используемые в других организмах, для производства важных лекарств из природы».

Для Ноэля проблема состоит в том, чтобы понять биосложность на уровне, который традиционно игнорируется, — изобилии природных химических веществ, встречающихся в природе. Организмы используют химические вещества как средство взаимодействия с окружающей средой, и человечество использовало этот факт, чтобы открыть подавляющее большинство фармацевтических препаратов, используемых сегодня для лечения болезней. «Главный фундаментальный вопрос в нашем случае заключается в том, почему организмы производят химические вещества, какую роль эти молекулы играют в природе и как клеточный механизм, используемый для их эволюции, развивался в течение миллионов лет, чтобы обеспечить новые способы выживания и процветания организмов-хозяев. . Понимание разнообразия природных химических веществ и механизмов, которые их производят, дает нам возможность оглянуться назад во времени и понять, как организмы развиваются на молекулярном уровне».

В исследование также внесли свой вклад Стивен Хейдок, доктор медицины, который работал с Кеем, Ацуши Като, который вместе с Сайто сейчас работает в Университете Хоккайдо в Саппоро, Япония, и Брэдли Мур, доктор философии, в Институте океанографии Скриппса.

Институт биологических исследований Солка в Ла-Хойе, Калифорния, является независимой некоммерческой организацией, занимающейся фундаментальными открытиями в области наук о жизни, улучшением здоровья человека и подготовкой будущих поколений исследователей. Джонас Солк, доктор медицинских наук, чья вакцина против полиомиелита практически уничтожила калечащую болезнь полиомиелит в 1955 году, открыла Институт в 1965 году благодаря подарку земли от города Сан-Диего и финансовой поддержке March of Dimes.