Анализ протеома позволяет предсказать биологические эффекты мутаций у дрожжей
Исследователи из Charité—Universitätsmedizin Berlin в сотрудничестве со Стэнфордским университетом разработали метод предсказания эффектов множества мутаций у дрожжей. Ключом к открытию стал детальный анализ протеома — совокупности всех белков в клетке.
Проблема: Геном любого организма содержит мутации, биологические эффекты которых часто неизвестны. Современные методы секвенирования хорошо выявляют генетические различия, но не всегда ясно, как они влияют на рост микроорганизма или его устойчивость к лекарствам.
Решение: Протеом работает как система шестерёнок, управляющая клеточными процессами. Изменения в генах влияют на количество или форму белков, что, в свою очередь, меняет внутренние процессы клетки.
Метод исследования
Учёные использовали два природных штамма дрожжей:
- Один из калифорнийского виноградника.
- Другой — от пациента с иммунодефицитом в Италии.
Штаммы скрещивали в течение нескольких поколений, получив почти тысячу новых линий с перемешанными генетическими признаками родителей.
- Стэнфордская лаборатория провела эксперименты по скрещиванию и последующий генетический анализ.
- Команда Charité под руководством проф. Маркуса Ральзера проанализировала протеом разных штаммов с помощью высокопроизводительного скрининга и масс-спектрометрии.
Создание карты "геном-протеом"
Сравнив данные генома и протеома, исследователи создали карту, показывающую влияние тысяч генетических вариантов на количество тысяч белков в клетке.
Для проверки причинно-следственных связей учёные использовали "генетические ножницы" CRISPR/Cas, чтобы вставить конкретный генный вариант в исходный родительский штамм, и убедились, что соответствующие изменения в протеоме воспроизводятся.
Практический пример: устойчивость к лекарствам
На карте было видно, что определённые генетические варианты повышают уровень фермента, на который нацелен противогрибковый препарат (антимикотик). Эксперимент подтвердил: дрожжевые клетки с этим вариантом гена стали более устойчивыми к действию агента.
Важный вывод: Многие генетические изменения, кажущиеся на первый взгляд "незначительными", могут иметь далеко идущие последствия. Варианты, влияющие на сотни белков, могут не проявлять эффекта в стандартных условиях, но становятся значимыми при изменении условий (например, при лечении препаратом или изменении питания).
Перспективы: Карта "геном-протеом" — мощный инструмент для понимания функций и взаимодействий белков, а также для прогнозирования развития устойчивости к препаратам и адаптации к новым условиям. В дальнейших исследованиях метод планируют применить к патогенным грибкам, вызывающим тяжёлые инфекции у человека.
Исследование опубликовано в журнале Science.