Новый метод определения структуры белков может решить биомедицинские загадки
Исследователи из cBio Центра Дана-Фарбер продемонстрировали мощный метод «экспериментальной эволюции» для выяснения деталей формы и функции белков. Этот метод может найти широкое применение в биомедицинских исследованиях.
«Белки — это рабочие клетки, и важно знать их форму», — говорит Крис Сандер, директор cBio Центра. Метод, названный «3Dseq», может помочь в определении трёхмерной структуры связанных с раком белков, которые не были идентифицированы другими методами. Он также может помочь понять, как онкогены и гены-супрессоры опухолей эволюционируют при раке, и определить, какие мутации в этих генах способствуют прогрессированию болезни.
От естественной к экспериментальной эволюции
В 2011 году команда Сандера сделала шаг вперёд в предсказании структуры белка с помощью математического подхода, основанного на анализе естественной эволюции. Ключевая идея заключалась в использовании вычислительных методов для идентификации аминокислот, которые взаимодействуют друг с другом, отслеживая те, что изменяются согласованно (ко-вариация) на протяжении миллионов лет эволюции.
Однако не все белки можно изучить с помощью последовательностей, найденных в естественной эволюции. Новое новшество — перенести эволюцию в лабораторные чашки, где процесс можно жёстко контролировать, и он занимает недели, а не миллионы лет.
Как работает 3Dseq
Учёные начали с гена фермента из бактерии E. coli, который обеспечивает устойчивость к распространённому антибиотику.
- Сгенерировали миллионы копий исходного гена с мутациями в различных позициях.
- Поместили эти мутировавшие гены в миллионы бактерий.
- Добавили антибиотик в чашки с бактериями и отобрали выжившие. Эти бактерии содержали функциональные гены устойчивости с отобранными мутациями.
- Тщательную процедуру повторили много раз, чтобы имитировать эволюционный процесс. «Из десятков миллионов белков мы в итоге получили несколько сотен тысяч, которые действительно работают», — говорит Сандер.
Используя вычислительную стратегию, разработанную в 2011 году, они получили данные, которые позволили построить 3D-структуры для двух очень разных белков устойчивости к антибиотикам. Формы оказались очень похожими на определённые с помощью рентгеновской кристаллографии.
Будущее метода
3Dseq присоединится к трём существующим технологиям определения структуры белка:
- Рентгеновская кристаллография
- Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР / NMR)
- Криоэлектронная микроскопия
По словам Сандера, зрелая технология 3Dseq может предложить два основных преимущества:
- Существующие три метода не всегда работают для всех белков.
- 3Dseq предоставляет детали о ключевых взаимодействиях в сложных белковых формах, необходимых для функционирования белков.
Эта возможность в конечном итоге может оказаться очень важной для ряда применений в клеточной биологии — от понимания эволюции патогенов до ускорения разработки биопрепаратов.
Группа Сандера и её collaborators уже начали работу по улучшению методов скрининга 3Dseq и обобщению технологий для использования с другими белками. Их статья была опубликована вместе с данными последовательностей и программными инструментами в журнале Cell Systems. «Мы будем сотрудничать с другими людьми, чтобы разработать анализы, чтобы сделать метод более широко применимым к белкам, представляющим интерес», — говорит Сандер. «Всё, что мы разработаем, будет общедоступным».
Основное финансирование работы поступило от Дана-Фарбер и Национального института общих медицинских наук (NIGMS).