Ученые создали детальную карту расположения белков в человеческих клетках
Новый метод, описанный 31 декабря в журнале Cell и разработанный междисциплинарной командой Chan Zuckerberg Biohub San Francisco (CZ Biohub SF), фиксирует пространственную организацию всей клетки с беспрецедентной детализацией. Их подход картирует большинство из примерно 10 000 видов белков человеческой клетки по органеллам и другим компартментам, в которых они находятся, создавая важный справочник для понимания устройства клеток. Команда также применила свой метод для характеристики того, как часть этих белков перемещается во время вирусной инфекции.
Эта работа — пример «пространственной протеомики», развивающейся области, названной журналом Nature Methods «Методом года 2024». Пространственная протеомика стремится углубить понимание функций белков, создавая детальные карты их расположения в клетках и тканях.
«Если мы хотим получить полную картину того, что происходит в клетках при заболевании, нам нужно думать не только об измерении количества белков, но и об изменениях в их пространственной организации», — сказал старший автор Мануэль Леонетти.
Одна клетка, 19 компартментов, тысячи белков
Каждая наша клетка состоит из набора примерно 10 000 видов белков. Новый подход команды, Organelle Profiling, рассматривает белки как составные части органелл клетки, её жидкого содержимого (цитозоля) и других внутренних структур. В исследовании они пометили уникальными молекулярными метками 19 таких компартментов, которые в совокупности охватывают всю клетку.
После мечения клетки осторожно разрушали, сохраняя внутренние структуры целыми. Используя антитела к меткам, извлекали отдельные компартменты, а затем определяли их белковый состав с помощью масс-спектрометрии.
Из этих компартментов они идентифицировали и проанализировали относительное расположение более 8000 уникальных видов белков. Команда построила сеть, в которой схожие по профилю белки связаны, что привело к появлению четко очерченных кластеров, определяющих отдельные компартменты — эндоплазматический ретикулум, цитозоль, митохондрии и т.д.
Выявление перемещения белков
Чтобы увидеть, как клетки перестраиваются внутри в ответ на изменения, команда подвергла клетки воздействию коронавируса OC43 (вызывающего простуду), а затем повторила анализ Organelle Profiling. Это выявило два различных сдвига:
- Переместились 633 вида белков (их отношения с другими белками на клеточной карте значительно изменились).
- Изменение общего количества (увеличение или уменьшение) затронуло 429 видов белков.
При этом только 54 белка претерпели оба типа изменений одновременно.
«Если мы посмотрим на расположение белков, мы получим концептуально иной тип информации, который был бы недоступен, если бы мы измеряли только их количество», — сказал Марко Хайн, соавтор исследования.
Сдвиги в расположении после заражения OC43 дали новые ключи к пониманию биологии. В частности, перемещение белков, участвующих в форме запрограммированной клеточной смерти — ферроптозе, — привело исследователей к выводу, что усиление ферроптоза способствует инфекции, а его подавление ингибирует вирус. Это показывает, что ферроптоз играет центральную роль в контроле инфекции и может быть мишенью для разработки новых противовирусных терапий.
Исследователи продолжают искать другие примеры характерного перемещения белков как при других вирусных инфекциях, так и при болезни Альцгеймера.
«Мы думаем, что наш метод Organelle Profiling может выявить изменения в пространственной организации клеток при самых разных заболеваниях. Это может дать нам много новых подсказок о биологическом механизме этих болезней и новые идеи о том, как с ними бороться», — сказал Леонетти.
Команда сделала данные, полученные с помощью Organelle Profiling, свободно доступными для других ученых. CZ Biohub SF также планирует предоставить научному сообществу использованные инструменты, включая клетки и реагенты.