Το πρωτέομα της ζύμης: αναδιαρθρώνοντας την παραγωγική διαδικασία ενός εργοστασίου Understand article

Μετάφραση από : Ευαγγελία Παπαδοπούλου (Evangelia Papadopoulou). Ο Russ Hodge από το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας στην Χαϊδελβέργη της Γερμανίας, παρουσιάζει την…

Το 1901, ο Franz Hofmeister συνέκρινε το κύτταρο με ένα εργοστάσιο, ικανό να απορροφά ακατέργαστα στοιχεία και να τα μετατρέπει στα στοιχειώδη αγαθά της ζωής: ακόμα πρότεινε ότι τα υπο-διαμερίσματα των κυττάρων που είχαν αναγνωριστεί στο μικροσκόπιο μπορεί να είναι υπεύθυνα για συγκεκριμένου τύπου μετατροπές.    

Η αναλογία με ένα εργοστάσιο έχει παραμείνει μέσα σε έναν αιώνα ανακαλύψεων για τις λειτουργίες των μορίων. Οι πρωτεΐνες περιγράφηκαν ως «μόρια εργάτες» και οι χημικές διεργασίες ως «γραμμή παραγωγής». Σε αντίθεση με ένα εργοστάσιο αυτοκινήτων, όμως, όπου οι μηχανές συνήθως παραμένουν βιδωμένες στο πάτωμα και αλλάζονται μόνο όταν νέα μοντέλα έρχονται στη μόδα, το κύτταρο συνεχώς αναδιαρθρώνεται. Οι πρωτεΐνες είναι ταυτόχρονα εργάτες και εξαρτήματα πολύπλοκων ρομπότ που συναρμολογούνται και διαλύονται συνεχώς: συχνά το ίδιο μόριο μπορεί να εντοπιστεί σε αρκετές μηχανές.  

Η πλήρης έκταση αυτής της ευέλικτης οργάνωσης έχει γίνει σαφής κυρίως από μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature (Gavin et al., 2006). Στο παρελθόν, οι επιστήμονες είχαν πολύ περιορισμένη οπτική για τις μηχανές αυτές και τα εξαρτήματά τους. «Η κατάσταση ήταν σαν να έμπαινες μέσα σε ένα εργοστάσιο και να έβρισκες κομμάτια απλών μηχανών διασκορπισμένα στο πάτωμα,» λέει η επικεφαλής ερευνήτρια Anne-Claude Gavin, επιστήμονας στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (EMBL), στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας. «Γνωρίζαμε τι κάνουν κάποιες μηχανές, και γνωρίζαμε λίγα για το πώς λειτουργούν, αλλά πραγματικά δεν υπήρχε συνολική οπτική.»

Οι επιστήμονες έχουν ξεκινήσει ήδη να συναρμολογούν το παζλ της κατασκευής των μηχανών του ζυμομύκητα βασιζόμενοι σε μεμονωμένα κομμάτια, χρησιμοποιώντας μία μέθοδο που ονομάζεται διαλογή δύο υβριδίων. Η μέθοδος αυτή αντιστοιχίζει κάθε πρωτεΐνη του ζυμομύκητα με κάθε μια από τις υπόλοιπες, σαν να αποσυναρμολογείς εντελώς, τα πάντα μέσα σε ένα εργοστάσιο αυτοκινήτων και να προσπαθείς να ταιριάξεις τα κομμάτια μεταξύ τους ένα προς ένα. Η μέθοδος έχει αποδώσει πληθώρα χρήσιμων πληροφοριών αλλά και πολλά λανθασμένα στοιχεία. 

Μπορεί να είναι δυνατό από φυσικής απόψεως να βάλεις ένα μοχλό ταχυτήτων μέσα σε έναν σωλήνα εξάτμισης, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι αυτό μπορεί να συμβεί σε ένα λειτουργικό αυτοκίνητο. Όταν έχεις να αντιμετωπίσεις 6500 κομμάτια – περίπου ο αριθμός των πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από το γονιδίωμα του ζυμομύκητα – η μέθοδος ένα προς ένα παρέχει μια πολύ περιορισμένη οπτική των ολοκληρωμένων μηχανών, πόσο μάλλον ολόκληρου του εργοστασίου.

Μια εναλλακτική λύση θα ήταν να ξεκινήσεις με ολοκληρωμένες μηχανές και μετά να αναλύσεις τα μόρια που τις απαρτίζουν. Όμως οι μέθοδοι απομόνωσης πρωτεϊνών από κύτταρα συνήθως διασπάνε τα σύμπλοκα. Αρκετά χρόνια πριν, στο εργαστήριο του Bertrand Séraphin στο EMBL εφευρέθηκε μια διαδικασία που ονομάζεται καθαρισμός συγγένειας κατά σειρά (tandem affinity purification = TAP), μια μέθοδος που «ψαρεύει» μεμονωμένα μόρια από κύτταρα μαζί με οποιεσδήποτε μηχανές είναι προσκολλημένες σε αυτά, άθικτες. Τα συστατικά των συμπλόκων μπορούν στη συνέχεια να αναλυθούν χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία μάζας – μια μέθοδος που τεμαχίζει τις πρωτεΐνες και «ζυγίζει» τα κομμάτια. Καθώς η κάθε πρωτεΐνη έχει μοναδική σύνθεση, η φασματοσκοπία μάζας δίνει στους επιστήμονες μετρήσεις που μπορούν να αντιστοιχιστούν από υπολογιστή στο προφίλ ενός συγκεκριμένου μορίου. Συνεργαζόμενη με επιστήμονες του EMBL, η εταιρία Cellzome αποφάσισε να «επιλύσει» ολόκληρο το γονιδίωμα του ζυμομύκητα χρησιμοποιώντας αυτές τις μεθόδους. Αφού πραγματοποιήθηκαν χιλιάδες πειράματα, η προσπάθεια αυτή έχει αποδώσει την πρώτη πλήρη σάρωση των γονιδίων ενός ευκαρυωτικού κυττάρου, αναζητώντας μοριακές μηχανές.  

Η μελέτη αποκάλυψε 491 σύμπλοκα, 257 απ’ τα οποία ήταν εντελώς καινούργια. Τα υπόλοιπα ήταν γνώριμα από άλλη έρευνα, αλλά τώρα πρακτικά όλα τους βρέθηκαν να έχουν καινούργια συστατικά. Είναι αυτή η λίστα διεξοδική; «Υπολογίζουμε ότι μπορεί να υπάρχουν περίπου 300 ακόμα,» λέει η Anne-Claude. «Κάποια σύμπλοκα μπορεί να εμφανίζονται μόνο όταν χρησιμοποιούνται συγκεκριμένες συνθήκες για την ανάπτυξη του ζυμομύκητα, και κάποια μπορεί να μην είναι δυνατό να ανακαλυφθούν με αυτή τη μέθοδο απομόνωσης.» Για παράδειγμα, ήταν πολύ δύσκολο να καθαρίσεις σύμπλοκα προσκολλημένα στην κυτταρική μεμβράνη. Οι ερευνητές προσάρμοσαν αυτή τη μέθοδο για τον σκοπό αυτό, και βρήκαν 74 νέα σύμπλοκα που σχετίζονται με μεμβρανικές πρωτεΐνες, αλλά η Anne-Claude είναι σίγουρη ότι υπάρχουν πολλά ακόμα.

Μια λίστα των εξαρτημάτων είναι μόνο η αρχή: οι επιστήμονες θέλουν επίσης να ξέρουν που είναι τοποθετημένα τα σύμπλοκα αυτά μέσα στο κύτταρο, τι κάνουν, και πώς λειτουργούν. Μερικές φορές τα ερωτήματα αυτά μπορούν να απαντηθούν από τα συστατικά και μόνο. Ένα σύμπλοκο με τρεις πρωτεΐνες που αποκρίνεται στη θερμότητα αδιαμφισβήτητα παίζει ρόλο στο να βοηθήσει τον οργανισμό να προσαρμοστεί σε αλλαγές της θερμοκρασίας. Άλλα σύμπλοκα θα μπορούσαν να συνδέονται με διαδικασίες όπως η πρόσδεση στο DNA, ή η βοήθεια στην βελτιστοποίηση άλλων μορίων.

Οι πληροφορίες αυτές έχουν επίσης παράσχει καινούργια γνώση σχετικά με το πώς το κύτταρο διαχειρίζεται την εξαιρετικά πολύπλοκη αποστολή του να συναρμολογεί τα σύμπλοκα, και αυτό φανερώνει κάτι σημαντικό για τη βιολογία του ζυμομύκητα και άλλων οργανισμών. «Άραγε, το κύτταρο προ-συναρμολογεί τις μηχανές και τις έχει διαθέσιμες, ή κατασκευάζονται απ’ το μηδέν όταν συμβαίνει κάτι;» λέει η Anne-Claude. «Με άλλα λόγια, πώς γίνεται η διαχείριση των μηχανών – και του εργοστασίου συνολικά; Δεν ξέραμε, αλλά τώρα μπορούμε να πούμε πολλά γι’ αυτό. Για να το καταφέρουμε, έπρεπε να βρούμε νέους τρόπους για να κατανοήσουμε τα δεδομένα.»

Οι οδικοί χάρτες – Άτλαντες συχνά περιέχουν ένα γράφημα που δείχνει τις αποστάσεις μεταξύ των πόλεων. Για παράδειγμα, 1150 χιλιόμετρα χωρίζουν τη Ρώμη από τη Χαϊδελβέργη: τη Χαϊδελβέργη από το Κέιμπριτζ 2045 χιλιόμετρα (συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς με καράβι). Από ένα τέτοιο γράφημα και μερικές ακόμα πληροφορίες, θα μπορούσες να κατατάξεις τις πόλεις σε περιοχές, πολιτείες και χώρες. Για να κατανοήσουν τους εσωτερικούς μηχανισμούς των πρωτεϊνικών συμπλόκων, λέει ο Patrick Aloy, οι επιστήμονες θα ήθελαν να έχουν ένα τέτοιο χάρτη των μορίων. 

Ο Patrick ήταν μέλος της ομάδας του Rob Russell στο EMBL, όπου χρησιμοποιούνται υπολογιστικές τεχνικές για την κατανόηση των εσωτερικών μηχανισμών των πρωτεϊνικών συμπλόκων. Συνδυάζοντας πληροφορίες για το σχήμα των πρωτεϊνών και την λειτουργία τους με δεδομένα για το πώς προσδένονται πάνω σε άλλα μόρια έχει επιτρέψει στους επιστήμονες να ξεκινήσουν να σχεδιάζουν «τεχνικά διαγράμματα» των μηχανών. Αλλά η αποσπασματική γνώση έχει περιορίσει το εύρος των προσπαθειών αυτών. 

«Φαντάσου ότι μπορείς να αντικαταστήσεις το γράφημα των αποστάσεων με έναν πίνακα που σου λέει ναι ή όχι – μπορείς να πας εκεί από εδώ;» λέει ο Patrick. «Από αυτή την πληροφορία δεν θα μπορούσες να σχεδιάσεις έναν χάρτη που να βγάζει και πολύ νόημα, αλλά αυτός ο τύπος μελέτης είναι αυτό που έχουμε μέχρι τώρα. Λοιπόν, τώρα έχουμε φτιάξει κάτι που μοιάζει περισσότερο με το γράφημα των αποστάσεων – κάθε ζευγάρι πρωτεϊνών έχει μια τιμή που δίνει την πιθανότητα να βρεθούν οι πρωτεΐνες αυτές μαζί μετά τον καθαρισμό.»

Αυτές οι πληροφορίες έχουν τώρα μετατραπεί σε έναν χάρτη των εγκαταστάσεων παραγωγής του εργοστασίου, συμπληρωμένο με ολοκληρωμένες και εν μέρει ολοκληρωμένες μηχανές, προκατασκευασμένα εξαρτήματα, και κουμπωτά στοιχεία. «Αυτό που ανακαλύπτεις είναι ότι τα περισσότερα σύμπλοκα έχουν ένα πυρήνα από ένα σετ συστατικών που σχεδόν πάντα βρίσκονται μαζί και κάποια άλλα που είναι φευγαλέα,» λέει ο Rob. «Μπορείς να σκεφτείς τους πυρήνες, ως καίριας σημασίας, προκατασκευασμένα εξαρτήματα μηχανών που βρίσκονται εύκαιρα, με προσωρινά στοιχεία να προστίθενται σε αυτά όταν υπάρξει ανάγκη.»

Η λειτουργία τέτοιων στοιχείων, λέει η Anne-Claude, μπορεί να είναι να αλλάξουν τη δουλειά του πυρήνα της μηχανής, να τον συνδέσουν με άλλες διαδικασίες του εργοστασίου, να τον ενεργοποιήσουν ή να τον απενεργοποιήσουν. «Αυτό έχει και πολλά και πολύ σημαντικά αποτελέσματα. Πρώτον, δίνει στο κύτταρο έναν τρόπο να πραγματοποιήσει έναν μεγάλο αριθμό διεργασιών με έναν περιορισμένο αριθμό βασικών μηχανών. Αυτό του δίνει μεγάλη ευελιξία. Δεύτερον, σημαίνει ότι σε περίπτωση ανάγκης, το κύτταρο δεν χρειάζεται να κατασκευάσει όλες τις μηχανές που χρειάζεται από το μηδέν. Το μόνο που έχει να κάνει, είναι να φτιάξει μερικά πολύ σημαντικά κομμάτια. Από την άλλη πλευρά, μπορεί να είναι σχετικά απλό για το κύτταρο να ελέγξει αρκετά σύνθετες μηχανές, μόνο παρέχοντας ή μπλοκάροντας την παροχή ενός καίριας σημασίας κομματιού.»

Υπάρχει μια σημαντική σύνδεση με την εξέλιξη γιατί γενικά, ορισμένοι τύποι μηχανών και τα βασικά συστατικά τους έχουν συντηρηθεί με το πέρασμα εκατοντάδων εκατομμυρίων χρόνων καθώς παρουσιάζονταν νέα είδη. Η ομάδα του Peer Bork στο EMBL βοήθησε στη διερεύνηση αυτού του ερωτήματος. 

«Αν συγκρίνεις τι γίνεται στο ζυμομύκητα και στα δικά μας κύτταρα, βρίσκεις πολλές ίδιες μηχανές, να χρησιμοποιούν τα ίδια βασικά εξαρτήματα για να κάνουν τα ίδια πράγματα,» λέει ο Peer. «Τα σύμπλοκα αντικατοπτρίζουν το πώς δουλεύει η εξέλιξη – σαν παραλλαγές ενός μοτίβου. Δεν θα βρεις ότι το κάθε είδος εφεύρει έναν νέο τρόπο να κάνει πράγματα: αντ’ αυτού, τα είδη βελτιώνουν αυτά που είναι ικανά να κάνουν προσθέτοντας εξειδικευμένα στοιχεία, ή αλλάζοντας ελαφρώς τον τρόπο που ρυθμίζεται η όλη κατάσταση.»   

Η μελέτη αποκαλύπτει πολλά για τις μεμονωμένες μηχανές και το πώς δουλεύουν μαζί. Εντούτοις, έχουμε να μάθουμε πολλά ακόμα για τη δουλειά τους μέσα στα ζωντανά κύτταρα – που εντοπίζονται πολλές από αυτές, και πόσα αντίγραφα κάθε μηχανής βρίσκονται σε λειτουργία ανά πάσα στιγμή. Πληροφορίες σχετικά με τη δομή των συμπλόκων βοηθούν να δοθεί απάντηση σε κάποια από αυτά τα ερωτήματα, γιατί δίνουν στους επιστήμονες μια ιδέα για το συνολικό σχήμα του συμπλόκου. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να παρατηρηθεί στο μικροσκόπιο. 

«Ακόμα και με την ηλεκτρονική μικροσκοπία,  τα πρωτεϊνικά σύμπλοκα είναι θολές κουκίδες που είναι δύσκολο ή απίθανο να ταυτοποιηθούν,» λέει η Anne-Claude. «Αλλά με καλές πληροφορίες για το σχήμα, μπορεί να είμαστε σε θέση να ονοματίσουμε κάποια από αυτά τα σχήματα.» 

ολόκληρου του κυττάρου στο ευρύτερο πλαίσιο του οργανισμού. Το επίπεδο των μοριακών μηχανών παίζει κρίσιμο ρόλο στην υγεία και στη διατήρηση της ισορροπίας. Αυτό που έχουν επιτύχει οι επιστήμονες είναι να αλλάξουν αυτό που πιστεύουμε όχι μόνο για το πώς δουλεύουν οι μεμονωμένες μηχανές και το πώς ρυθμίζονται, αλλά και για το πώς λειτουργούν μαζί. Αυτό θα είναι προφανώς καίριας σημασίας καθώς οι επιστήμονες προσπαθούν να οδηγήσουν τους οργανισμούς από μια νοσούσα κατάσταση σε μια υγιή. 

References

• Gavin AC et al. (2006) Proteome survey reveals modularity of the yeast cell machinery. Nature 440: 631-636. doi:10.1038/nature04532.
  • Download the article free of charge here, or subscribe to Nature today: www.nature.com/subscribe
• This article appears in the annual report of the European Molecular Biology Laboratory, a collection of articles on topics from the most current science. The rest of the report is available here.

Institutions

Review

Στο πεδίο των επιστημών ζωής, η λέξη πρωτέομα έχει γίνει πολύ δημοφιλής, όπως και άλλες λέξεις που τελειώνουν σε «-όμα», αλλά σπάνια βρίσκεις αυτή η λέξη να εξηγείται τόσο ξεκάθαρα όσο σε αυτό το άρθρο. 

Ξεκινώντας με την μεταφορά του κυττάρου σαν εργοστάσιο, ο Russ Hodge εισάγει τον αναγνώστη στις πολύπλοκες πρωτεϊνικές του μηχανές χρησιμοποιώντας έναν απλό και γοητευτικό τρόπο, με ζωντανά παραδείγματα από την καθημερινή ζωή. 

Ακόμα ένα συναρπαστικό χαρακτηριστικό αυτού του άρθρου είναι η περιγραφή μεθόδων και στρατηγικών που χρησιμοποιήθηκαν από τους ερευνητές για να διερευνήσουν τη δομή, τη λειτουργία και την εξέλιξη αυτών των εξαιρετικά μικροσκοπικών αντικειμένων που είναι τα κυτταρικά πρωτεϊνικά σύμπλοκα. 

Συστήνω αυτό το άρθρο στους καθηγητές και στους μαθητές της ανώτερης δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης στο πλαίσιο του προγράμματος των μαθημάτων της βιοχημείας και/ή της κυτταρικής βιολογίας. Στην πραγματικότητα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διδασκαλία μέσα στην τάξη ή για αυτόνομη έρευνα του θέματος από τους μαθητές. 

Καταληκτικά θα ήθελα να τονίσω πως αυτό το άρθρο, παρά το απλό και φιλικό του στυλ, προσφέρει μια διαφωτιστική και συνθετική οπτική ενός πολύ πολύπλοκου θέματος: με την συναρπαστική γεύση της περιπέτειας της ανακάλυψης, δίνει ένα εξαιρετικό παράδειγμα αύξησης της δημοτικότητας της επιστήμης υψηλού επιπέδου, η οποία κρίνεται αναγκαία για την ενθάρρυνση των επιστημονικών επαγγελμάτων. 

Giulia Realdon, Ιταλία

License

CC-BY-NC-ND