Исследование на дрожжах раскрывает функции белков митохондрий

Биологи до сих пор не знают функции тысяч белков и их влияние на клетку. Это касается и митохондрий — клеточных "энергостанций", дисфункция которых связана с более чем 150 заболеваниями, включая рак, диабет, болезнь Паркинсона и генетические расстройства.

Чтобы восполнить пробелы в знаниях, исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон провели масштабный эксперимент на дрожжах. Они по одному удалили 174 гена и с помощью высокопроизводительной масс-спектрометрии детально измерили тысячи метаболитов: белки, липиды и промежуточные химические соединения.

В статье, опубликованной в Nature Biotechnology, профессор Джошуа Кун и директор по исследованиям метаболизма Института Моргриджа Дэвид Паглиарини представили комплексный анализ последствий делеции отдельных генов.

Метод и ключевое открытие

Исследователи удаляли гены, кодирующие белки основных функциональных частей митохондрий. Анализ белков, метаболитов и липидов с использованием передовых технологий масс-спектрометрии создавал уникальный "сигнатурный" профиль для каждого белка. Сравнивая профили белков с неизвестной функцией с известными, можно было определить их роль.

Главный результат: исследование выявило семь генов, участвующих в синтезе кофермента Q (CoQ) — молекулы, критически важной для энергетического метаболизма митохондрий. Дефицит CoQ часто наблюдается при митохондриальных нарушениях.

Биохимические эксперименты подтвердили, что один из идентифицированных генов необходим для производства ключевого метаболита CoQ. Добавление этого метаболита в среду экспериментально восстановило уровень CoQ у дрожжей с нокаутированным геном.

Технологический прорыв и обработка данных

• Современные методы масс-спектрометрии сократили время полного анализа протеома дрожжевой пробы с 4 часов до 1 часа.
• Объём данных исследования составил почти две тысячи гигабайт.
• Для визуализации и интерпретации этих данных соавтор исследования Николас Квичиен создал специальный веб-сайт.

Значение и перспективы

По словам Паглиарини, работа демонстрирует эффективность изучения белков не поодиночке, а сотнями. Помимо семи генов CoQ, текущий анализ уже привел к примерно 20 новым предсказаниям функций белков.

"Этот результат — свидетельство мудрости инвестиций в передовые технологии со стороны университета и Института Моргриджа, — говорит Джошуа Кун. — Если два года назад анализ дюжины штаммов дрожжей на таком уровне детализации занял бы месяц, то сейчас на это требуется день. От этого уже выигрывает наука, и мы верим, что в конечном итоге выиграют и пациенты".