Drożdżowy proteom: inwentaryzacja hali produkcyjnej Understand article

Tłumaczenie Michał Mlącki. Russ Hodge z European Molecular Biology Laboratory (EMBL) w Heidelbergu w Niemczech opowiada o pierwszym pełnym przeglądzie “molekularnych maszyn” w komórkach drożdży.

W 1901 roku Franz Hofmeister porównał komórkę do fabryki, która może z nieprzetworzonych materiałów uzyskać produkty niezbędne do życia; sugerował nawet, że przedziały komórkowe, które wtedy były już rozpoznane pod mikroskopem, mogą być odpowiedzialne za te przekształcania.

Analogia do fabryki żyła jeszcze przez epokę odkryć dotyczących funkcjonowania cząsteczek biologicznych. Białka były opisywane jako “cząsteczki robotnicze” a procesy chemiczne jako “linie montażowe”. W przeciwieństwie jednak do fabryki samochodów, gdzie maszyny są zwykle przytwierdzone do podłogi i są zmieniane tylko wtedy, gdy pojawiają się nowe modele, komórka bez przerwy wymienia swoje komponenty. Białka są jednocześnie i pracownikami i częściami skomplikowanych robotów, które są ciągle składane i rozkładane, a taka sama cząsteczka może być znaleziona w kilku różnych maszynach.

Pełny zakres tego elastycznego uorganizowania stał się zrozumiały dopiero niedawno, dzięki ostatnim badaniom opublikowanym w czasopiśmie Nature (Gavin i wsp., 2006). Wcześniej naukowcy mieli bardzo ograniczony obraz wspomnianych maszyn i ich składników. „Sytuacja wyglądała tak, jakbyśmy weszli do fabryki i znaleźli porozrzucane po podłodze części poszczególnych maszyn,” mówi kierownik zespołu Anne-Claude Gavin, naukowiec z European Molecular Biology Laboratory (EMBL) w Heidelbergu w Niemczech. “Wiedzieliśmy, co niektóre maszyny robią i troszeczkę o tym jak działają, ale brakowało obrazu całości.”

Naukowcy już wcześniej rozpoczęli układanie całej konstrukcji maszyn drożdżowych z pojedynczych ich fragmentów korzystając z metody zwanej przesiewem dwu-hybrydowym. Dopasowuje ona każde drożdżowe białko do każdego innego, czyli tak jakby całkowicie rozłożyć fabrykę samochodów i próbować dopasować części jedna po drugiej. Ta metoda dała dużo użytecznych informacji, ale również i wiele fałszywych wyników.

Przy konstruowaniu auta można włożyć drążek zmiany biegów do rury wydechowej, ale nie oznacza to, że kiedykolwiek robi się tak w działających samochodach. Jeżeli mamy około 6500 części – taka jest szacunkowa liczba białek kodowanych w genomie drożdży – metoda „jeden po drugim” przedstawia bardzo ograniczony obraz samych maszyn, nie mówiąc już o całej fabryce.

Alternatywą może być rozpoczęcie od całych maszyn, rozebranie ich i analizowanie poszczególnych części, z których się składają. Niestety metody uzyskiwania białek z komórek zwykle rozbijają kompleksy. Jednak kilka lat temu laboratorium Bertranda Séraphina w EMBL odkryło proces zwany tandemowym oczyszczaniem z wykorzystaniem powinowactwa (ang.TAP – Tandem Affinity Purificatin), metodę, która „łowi” pojedyncze białko z komórki wraz z całą nietkniętą maszynerią dołączoną do niego. Następnie składniki takich kompleksów mogą być analizowane przy użyciu spektrometrii mas – metody, w której fragmentuje się białka i “waży” poszczególne kawałki. Zważywszy, że każde białko posiada charakterystyczny skład aminokwasowy, spektroskopia mas daje naukowcowi wynik, który może być dopasowany przez komputer do profilu odpowiedniego białka. Współpracując z naukowcami z EMBL i korzystając ze wspomnianej metody firma Cellzome postanowiła zmierzyć się z całym drożdżowym genomem. Tysiące eksperymentów później stworzono pierwszy pełny przegląd genów komórki eukariotycznej służący do wyszukiwania molekularnych maszyn. (Znając białko jesteśmy w stanie odszukać i analizować sam gen – jest to metoda niebezpośredniej analizy genomu – przyp. tł.).

Badania ujawniły 491 kompleksów, z czego 257 całkiem nowych. Pozostałe znane były już z wcześniejszych badań, ale praktycznie we wszystkich z nich zidentyfikowano jakieś nowe elementy. Czy lista kompleksów jest kompletna? „Szacujemy, że może być ich jeszcze około 300.” Mówi Anne-Claude. „Niektóre z nich mogą pojawiać się tylko wtedy, gdy zastosuje się odpowiednie warunki podczas hodowli drożdży a inne mogą nie dać się uzyskać użytymi przez nas metodami.” Dla przykładu, niezmiernie trudno jest oczyścić kompleksy przyczepione do błony komórkowej. Naukowcy przystosowali wspomnianą metodę do tego typu doświadczeń i odkryli 74 nowe kompleksy obejmujące białka błonowe. Anne-Claude jest jednak pewna, że jest ich więcej

Lista części to dopiero początek: naukowcy chcą także wiedzieć gdzie dane kompleksy znajdują się w komórce, co robią i jak funkcjonują. Czasem można odpowiedzieć na te pytania patrząc tylko na części składowe. Kompleks trzech białek, które odpowiadają na ciepło bez wątpienia gra rolę w adaptowaniu się organizmu do zmian temperatury. Inne kompleksy mogą być związane z procesami takimi jak łączenie się z DNA lub asystowanie w laboratoryjnym oczyszczaniu innych białek.

Uzyskane informacje dają także nowe spojrzenie na to, w jaki sposób komórka radzi sobie z tak skomplikowanym zadaniem jak składanie kompleksów. Te dane mówią nam z kolei ważne rzeczy o biologii drożdży i innych organizmów. „Czy komórka przygotowuje sobie części składowe i trzyma w zanadrzu, czy też składa wszystko od podstaw wtedy, kiedy tego potrzebuje?” mówi Anna-Claude. „Innymi słowy – co w rzeczywistości kieruje maszynami i fabryką jako całością?  Nie mieliśmy pojęcia, ale teraz już możemy sporo na ten temat powiedzieć. By to osiągnąć musieliśmy znaleźć nowe sposoby rozumienia danych.”

Mapy drogowe zwykle zawierają schematy pokazujące odległości pomiędzy miastami. Na przykład: 1150 kilometrów dzieli Rzym od Heidelbergu a z Heidelbergu do Cambridge jest 2045 kilometrów (licząc podróż promem). Z takiego schematu i kilku dodatkowych informacji można przyporządkować miasta do regionów, województw i krajów. By zrozumieć wewnątrzkomórkowe działanie białkowych kompleksów, mówi Patrick Aloy, naukowcy chcieliby mieć podobną mapę cząsteczek.

Patrick był członkiem grupy Roba Russella w EMBL, gdzie przy pomocy technik komputerowych próbuje się zrozumieć jak działają białkowe kompleksy. Połączenie informacji o kształtach i funkcjach białek z danymi o tym, jak łączą się z innymi cząstkami pozwoliło naukowcom na naszkicowanie „technicznego diagramu” maszyn. Mimo to fragmentaryczna wiedza nie pozwala jeszcze na dużą dokładność.

„Wyobraźmy sobie, że zastępujemy schemat z odległościami spisem mówiącym nam tylko „tak lub nie” na pytanie – czy „stąd” można dotrzeć „tam”?” mówi Patrick. „Na podstawie takich informacji nie bylibyśmy w stanie narysować rzeczywistej mapy, ale tylko tego typu badania mieliśmy do tej pory. Teraz udało się stworzyć coś więcej niż tylko szkic odległości – każda para białek ma przypisaną wartość oznaczającą częstość odnajdywania ich razem podczas oczyszczania.”

Te informacje zostały przeniesione na mapę hali produkcyjnej, uzupełnione o znane już informacje dotyczące maszyn, ich części i wymienialnych modułów. „Okazało się, że większość kompleksów jest zbudowana z kilku białek rdzeniowych, które prawie zawsze są znajdowane razem oraz kilku białek, które mogą czasowo się przyłączać,” mówi Rob. „Można uważać rdzenie za kluczowe, przygotowane zawczasu części maszyn, które są trzymane w zapasie, do których, w razie potrzeby, są dołączane wymienne moduły.”

Według Anne-Claude funkcje takich modułów mogą być związane z kontrolowaniem pracy rdzenia maszyny, łączeniem go z innymi procesami, które dzieją się w fabryce, lub włączaniem i wyłączaniem jego aktywności. „Ma to kilka bardzo ważnych następstw. Po pierwsze: komórka ma możliwość wykonywania wielu zadań za pomocą niewielkiej liczby podstawowych maszyn. Daje jej to dość dużą elastyczność. Po drugie: w razie potrzeby komórka nie musi budować wszystkich potrzebnych maszyn od zera. Konieczne jest tylko wyprodukowanie kilku naprawdę niezbędnych części. Umożliwia to komórce, w relatywnie prosty sposób, kontrolowanie dość złożonych maszyn tylko przez dostarczanie lub blokowanie istotnych elementów.”

Tak ujęty temat wnosi wiele z punktu widzenia ewolucji, gdyż ogólnie, pewne typy maszyn i ich podstawowych składników są zachowywane przez setki milionów lat, gdy powstawały nowe gatunki. Grupa Peera Borka z EMBL pomagała zbadać ten proces.

“Jeśli porówna się to, co dzieje się w komórkach drożdży i naszych własnych, odnajdzie się wiele takich samych maszyn, używających tych samych podstawowych elementów do robienia tych samych rzeczy.” mówi Peer. „Te kompleksy ukazują sposób działa ewolucji – jako wariacje na dany temat. Nie jest tak, że każdy gatunek rozwija nowy, własny sposób robienia czegoś; po prostu ulepsza się to, co się ma, dokładając wyspecjalizowane moduły lub nieznacznie zmieniając sposób regulacji maszynerii komórkowej.”

Badania pokazują, w jaki sposób ogromna liczba pojedynczych maszyn może ze sobą współpracować. Jednak pozostaje jeszcze dużo do odkrycia o ich działaniu w żywej komórce – o ich rozmieszczeniu, a także o tym, jak dużo kopii pracuje w danej chwili. Informacje strukturalne o kompleksach pomagają w udzieleniu odpowiedzi na kilka z tych pytań, ponieważ dają naukowcom dane dotyczące ogólnego kształtu kompleksu. Oznacza to, że można je podglądać pod mikroskopem.

“Nawet przy użyciu mikroskopu elektronowego kompleksy białkowe wyglądają jak niewyraźne kropki, które są trudne lub niemożliwe do zidentyfikowania,” mówi Anne-Claude. „Ale z dobrymi informacjami na temat struktury możemy rozpoznać niektóre kształty.”

Zdrowie to obraz działania całej komórki w kontekście organizmu. Poziom molekularnych maszyn ma bardzo duży wpływ na jego utrzymanie i zachowanie równowagi. To, co udało się osiągnąć naukowcom, to zmiana naszego myślenia nie tylko na temat działań indywidualnych maszyn i sposobu ich regulacji, ale także jak ze sobą współpracują. Dla naukowców starających się wyprowadzić komórkę ze stanu chorobowego do prawidłowego jest to wiedza kluczowa.

References

• Gavin AC et al. (2006) Proteome survey reveals modularity of the yeast cell machinery. Nature 440: 631-636. doi:10.1038/nature04532
  • Artykuł ten jest dostępny bezpłatnie tutaj, lub po subskrypcji w Nature: www.nature.com/subscribe
• Ten artykuł ukaże się w corocznym raporcie European Molecular Biology Laboratory,  zbiorze artykułów o tematyce dotyczącej najnowszych spraw nauki. Reszta raportu jest dostępna na stronie: www.embl.de/aboutus/communication_outreach/publications/annual_report/AnnualReport05-06.pdf

Institutions

Review

Na polu nauk o życiu słowo proteom stało się ostatnio bardzo popularne, podobnie jak i inne słowa kończące się na „-om”, ale rzadko zdarza się by było ono tak zrozumiale wytłumaczone jak w tym artykule.

Rozpoczynając od metafory przedstawiającej komórkę jako fabrykę Russ Hodge wprowadza czytelnika w maszynerię białkowych kompleksów używając prostego i wciągającego stylu wraz z barwnymi przykładami z codziennego życia.

Kolejną zachęcającą cechą tego artykułu jest opis metod i strategii używanych przez badaczy do poznawania struktur, funkcji i ewolucji tych niewiarygodnie małych obiektów, którymi są komórkowe kompleksy białkowe.
Polecam ten artykuł nauczycielom i uczniom wyższych klas szkoły średniej o kierunkach związanych z biochemią i/lub biologią komórki. Może on być użyty zarówno na zajęciach jak i indywidualnie przez uczniów.

Na końcu chciałabym podkreślić, że artykuł, pomimo prostego i przyjacielskiego stylu oferuje pouczający i syntetyczny obraz bardzo skomplikowanego tematu: z ekscytującym smaczkiem odkrywania tajemnicy, daje wspaniały przykład popularyzacji nauki na wysokim poziomie, który jest obecnie szczególnie potrzebny do pobudzania naukowych zamiłowań.

Giulia Realdon, Włochy

License

CC-BY-NC-ND