Гибридные мухи раскрывают новые данные о регуляции белков

Белки — это "рабочие лошадки" клетки, выполняющие все задачи, необходимые для роста, размножения и других функций. Однако гены содержат инструкции для гораздо большего числа белков, чем присутствует в клетке в любой момент времени. Поэтому исследователям важно знать набор присутствующих белков — протеом — в клетке или ткани в заданное время и при определенных условиях. Понимание пределов размера протеома и толерантности клетки к белковому разнообразию критически важно для определения того, как эволюционируют организмы.

Команда из Научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) выяснила, что, скрещивая два вида мух, можно использовать данные о протеоме гибридного потомства для поиска новых ключей к пониманию взаимодействия белков друг с другом и условий, при которых допустимо присутствие дополнительных белков. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

"Мы с удивлением обнаружили, что во время эмбрионального развития протеом гибридного потомства обладает большей сложностью и содержит больше белков, чем можно было бы найти у обоих родительских видов вместе взятых", — говорит Казимир Бамбергер, PhD, научный сотрудник TSRI и первый автор исследования. — "Это показало нам, что протеом обладает пластичностью во время развития, которая позже теряется во взрослом возрасте. Эта повышенная пластичность протеома во время развития может обеспечивать дополнительное пространство для быстрой фенотипической изменчивости при эволюции организмов".

Исследователи использовали метод нисходящей протеомики (shotgun proteomics), чтобы выявить, какие белки каждого вида присутствовали у гибридных мух. В этом процессе белки расщепляются на более мелкие пептиды, которые анализируются с помощью масс-спектрометрии (MS), измеряющей массы молекул в образце. Поскольку массы пептидов двух видов различались, исследователи смогли определить долю белков, которую геном каждого вида внес в протеом гибридов.

"MS — это единственный крупномасштабный метод для изучения целых протеомов", — говорит Джон Йейтс III, PhD, профессор кафедры химической физиологии TSRI и старший автор исследования.

Его лаборатория занимается разработкой и применением методов протеомики на основе MS для решения широкого круга биологических вопросов.

В исследовании ученые скрестили два вида плодовых мух: Drosophila melanogaster и Drosophila simulans. Белки гибридов и двух родителей были помечены разными изотопами, чтобы можно было определить, какие белки у потомства отличаются по количеству от родительских.

Исследователи обнаружили, что на ранних стадиях развития мухи экспрессировали новые белки, не обнаруженные ни у одного из родительских видов на той же стадии развития. Однако количество белков сокращалось у выживших взрослых особей. Это дало исследователям новые детали о функции сети протеостаза — регуляторной системы внутри клеток, которая координирует синтез, сворачивание, модификацию и деградацию белков.

"Мы обнаружили, что у этих развивающихся гибридов увеличение сложности протеома сопровождалось повышением активности сети протеостаза", — объясняет Бамбергер. — "Это потому, что она занята удалением белков, которые распознает как "неуместные". Но, с другой стороны, сеть протеостаза также может способствовать стабилизации и, следовательно, поддержанию новых и дополнительных белков в организме".

Бамбергер отмечает, что, изучая сеть протеостаза и взаимодействие белков, команда может начать понимать, почему определенные белки сохраняются в протеоме, несмотря на их дисфункцию, например, при таких состояниях, как рак или нейродегенеративные расстройства, включая болезнь Альцгеймера. Понимание этих взаимодействий может однажды привести к новым подходам к лечению некоторых заболеваний.

Йейтс добавил, что исследование также является полезным инструментом для понимания селекции животных: "Оно показывает нам, насколько генетические изменения препятствуют успешному скрещиванию видов и что происходит на белковом уровне, когда это все же происходит".