Визуализация сетей белковых взаимодействий в живом развивающемся организме

Впервые удалось картировать белок-белковые взаимодействия в живых развивающихся корнях растений. Результаты работы трех международных исследовательских групп под руководством отдела биологии развития растений Вагенингенского университета опубликованы в Nature.

Эта работа считается прорывом в области клеточной и биологии развития, поскольку взаимодействия между белками в физиологических условиях впервые визуализированы в интактной живой ткани неинвазивным способом. Результаты этого подхода позволят лучше понять события связывания белков, которые необходимы для многих важных клеточных функций, а их нарушение является причиной заболеваний, включая рак.

Совместная работа Вагенингенского университета, Амстердамского университета и Дюссельдорфского университета позволила картировать белковые взаимодействия в живых корнях растений в нативных условиях и с клеточным разрешением, используя новейшие функциональные технологии визуализации. Опубликованная в Nature работа под названием "In vivo FRET-FLIM reveals cell type-specific protein interactions in Arabidopsis roots" объединила технологию FRET-FLIM (Förster Resonance Energy Transfer – Fluorescence Lifetime imaging Microscopy) с генетикой и анализом экспрессии генов. Работа показала, что в живых тканях белковые комплексы могут менять свою конформацию клеточно-специфичным образом, чтобы регулировать специфические программы экспрессии генов, ведущие к точной спецификации и поддержанию конкретных клеточных судеб в меристеме корня арабидопсиса.

Понимание роста корня

На кончике растущего корня растения находится популяция "стволовых клеток". Эти клетки делятся и дифференцируются в разные типы клеток, образуя различные ткани корня. Судьба каждой клетки, то есть то, какую ткань корня она сформирует, определяется комбинаторными модулями, в которых ключевую роль играют транскрипционные факторы. Чтобы понять, как эти белки регулируют клеточную судьбу и, как следствие, рост корня, Икрам Блилу вместе со своим аспирантом Юйчен Лонгом столкнулись с задачей визуализировать взаимодействия между набором ключевых транскрипционных факторов, сосредоточившись на том, как эти взаимодействия меняются во времени и пространстве в разных типах тканей и как они регулируют клеточную судьбу во время развития корня.

Техническая сложность

Технически сложно изучать белковые взаимодействия в живых организмах из-за их низкой концентрации, что затрудняет обнаружение этих взаимодействий традиционными биохимическими методами. В этом исследовании ученые использовали передовые методы функциональной визуализации и молекулярной биологии для визуализации специфических взаимодействий с помощью технологии FRET-FLIM в сочетании с генетикой и анализом экспрессии генов. Белки взаимодействуют путем прямого связывания, то есть сближаются друг с другом, и в данном случае для обнаружения этих взаимодействий используется техника FRET, при которой интересующие белки метятся генетически закодированными флуоресцентными белками.

Объединенный опыт

Это исследование — результат успешного сотрудничества трех международных команд. Помимо группы биологии развития растений Вагенингенского университета под руководством профессора Бена Схереса, в работе участвовали профессор Теодорус Гадделла из Центра передовой микроскопии Ван Левенгука в Амстердаме. Команда Гадделлы, включая Йоахима Гудхарта и Мартена Постму, имеет многолетний опыт в оптимизации флуоресцентных белков, количественной микроскопии и продвинутом анализе FRET-FLIM. Совместно с командой Рюдигера Саймона из Дюссельдорфского университета, включающей Ивонну Шталь и Стефани Вайдткамп-Петерс, обладающих опытом в области высокоразрешающей lifetime-визуализации, технология FRET-FLIM была внедрена, что позволило преодолеть текущие ограничения в изучении динамики белковых комплексов с клеточным разрешением.