Naukowcy udoskonalili metodę spektrometrii mas w celu badania interakcji białek w komórkach, mając na celu identyfikację zmian związanych z chorobami i odkrycie potencjalnych celów terapeutycznych w zakresie przywracania równowagi komórkowej. Praca ta kładzie podwaliny pod rozwój nowych leków stosowanych w leczeniu chorób takich jak rak i Alzheimera.
- Funkcja komórek biologicznych zależy od interakcji między białkami. Nieprawidłowe interakcje białek są przyczyną wielu chorób.
- Naukowcy z ETH Zurich opracowali nową metodę badania sieci interakcji białek.
- Metoda ta i wiedza, jaką ona zapewnia, są cenne dla badań farmaceutycznych. Otwiera to drzwi do opracowania nowych leków ukierunkowanych na specyficzne interakcje białek.
Klub taneczny Analogia interakcji komórkowych
Wewnątrz komórek można poczuć się jak w zatłoczonym klubie tanecznym: setki białek nieustannie się poruszają i wchodzą w interakcje. Niektórzy trzymają się z daleka, inni przeciskają się przez tłum, nawiązując po drodze kontakty z wieloma osobami. Niektóre interakcje są krótkie, jak szybkie powitanie, podczas gdy inne tworzą trwałe więzi, trzymając się blisko swoich partnerów. Podobnie jak w klubie, w komórkach zachodzi cała gama interakcji z białkami.
Komórki są wypełnione różnymi typami białek, które wchodzą w interakcje i często łączą się w grupy. Grupy te, zwane kompleksami, działają jak maszyny molekularne i działają prawidłowo tylko wtedy, gdy ich poszczególne białka łączą się i funkcjonują jako jednostka.
Awanturnik zakłóca normalną interakcję
To, które białka oddziałują ze sobą i w jaki sposób, zależy również od stanu organizmu. W normalnych warunkach w zdrowym organizmie dwa białka, które nazywamy niebieskim i czerwonym, łączą się ze sobą. Jeśli na przykład warunki ulegną zmianie na skutek stresu komórkowego, błękit białkowy może zmienić partnera interakcji i połączyć siły z żółcią białkową, co powoduje same kłopoty i zakłóca imprezę.
„Zmienione interakcje między białkami mogą prowadzić do chorób takich jak choroba Alzheimera, Parkinsona czy rak” – wyjaśnia Cathy Marulli. Jest doktorantką pod kierunkiem Paoli Picotti, profesora w Instytucie Biologii Układów Molekularnych na ETH Zurich. „Dlatego ważne jest, aby wiedzieć, jak interakcje białko-białko różnią się między stanami zdrowymi i chorymi oraz jak wyglądają miejsca wiązania między dwoma białkami. Jeśli znamy je aż do ostatniego szczegółu, możemy opracować substancje aktywne, które blokują niepożądane interakcje i przywracają równowagę komórkową” – wyjaśnia.
Dlatego biochemicy z ETH opracowali dalej sprawdzone podejście w badaniach nad białkami, umożliwiające analizę pełnej sieci interakcji białek, znanej jako interatom.
Odpowiednie badanie właśnie opublikowano w czasopiśmie Biotechnologia Przyrody.
Postępy w badaniach interakcji białek
Kilka lat temu Picotti i jej współpracownicy opracowali tak zwaną spektrometrię mas LiP. Umożliwia to badaczom pomiar zmian strukturalnych w tysiącach białek w dowolnej próbce biologicznej, bez konieczności wcześniejszego specjalnego oczyszczania próbek. Ostatnio zastosowali tę metodę do analizy białek i ich funkcji.
Teraz udoskonalili spektrometrię mas LiP, aby badać interakcje między białkami. W tym celu najpierw zidentyfikowano około 6000 interfejsów interakcji między białkami a innymi miejscami, które zmieniają się, gdy białka oddziałują ze sobą. Następnie wykorzystali te miejsca jako markery do oceny, czy białko zmienia swoje oddziaływanie z innymi białkami pod pewnymi warunkami.
Aby to zrobić, wykorzystali enzymy, które tną białka na kawałki. Enzymy te mogą atakować białka jedynie w swobodnie dostępnych miejscach. Enzym nie może przeciąć białka, jeśli w danym miejscu zadokowane jest inne białko. Szczegółowe informacje na temat fragmentów białek pomogły zatem badaczom przeanalizować, czy i gdzie poszczególne białka oddziałują z innymi. Umożliwiło im to badanie interakcji około 1000 białek jednocześnie i bezpośrednio w niechlujnej macierzy komórkowej.
Stres komórkowy i zmiany w kompleksie białkowym
Naukowcy pracowali z komórkami drożdży, aby zbadać, w jaki sposób interakcje białek różnią się w ich normalnym stanie od tych, które występują w sytuacji stresowej wywołanej substancją chemiczną.
W ten sposób biochemicy odkryli, że sytuacja stresowa zmieniła około pięćdziesięciu kompleksów białkowych, a tym samym ich interakcje. Naukowcy wykazali również, że kompleks białkowy zwany SAGA odgrywa ważną rolę w sieci interakcji komórki drożdży. Kiedy usunęli SAGA z obrazu, około dwie trzecie kompleksów białkowych zachowywało się inaczej w sytuacji stresowej. „SAGA jest DJ-em na imprezie. Kiedy jest wyciszony, niektóre grupy imprezowe przestają tańczyć. Wpływają na innych uczestników imprezy, którzy również się wycofują. To pokazuje, że pojedynczy gracz w komórce ma nieproporcjonalnie duży wpływ na innych” – mówi Marulli.
Szerokie zastosowania i przyszłość badań nad białkami
Opracowaną metodę można zastosować także do innych organizmów. „Dla każdego gatunek chcemy zbadać, musimy tylko opracować nowy zestaw markerów wiązania, aby móc zastosować tę metodę do badania interakcji białek w komórkach myszy lub ludzi” – mówi Marulli. Następnym logicznym krokiem jest zatem określenie markerów interakcji dla interakcji komórek ludzkich w celu analizy interakcji wadliwych białek w jednym kroku.
Określenie interakcji białek jest niezwykle ważne w odniesieniu do chorób. „Dlatego chcemy dalej rozwijać naszą technologię do celów diagnostycznych i badań nad mechanizmami chorób” – mówi Picotti. Istnieje dobry powód do takich nadziei: poprzednie podejścia opracowane w ich laboratorium zostały już wdrożone w praktyce przez Biognosys, spółkę wydzieloną z ETH.
Badania farmaceutyczne skupiają się na interakcjach
Badania farmaceutyczne są również bardzo zainteresowane markerami interakcji. Jeśli znane są miejsca interakcji, badacze mogą skutecznie wyszukiwać związki chemiczne, które mogą przerwać niepożądane interakcje lub nawiązać nowe.
Związki modulujące interakcje białko-białko stanowią obecnie obiecujący nowy kierunek badań farmaceutycznych. Takie związki mogłyby potencjalnie zająć się białkami, które nie są dostępne w przypadku obecnych leków. Można je też wykorzystać do opracowania nowych leków o mniejszych skutkach ubocznych.
Odniesienie: „Globalne profilowanie dynamiki kompleksów białkowych za pomocą biblioteki eksperymentalnej markerów interakcji białek” autorstwa Christiana Döriga, Cathy Marulli, Thomasa Pesketta, Norberta Volkmara, Lorenzo Pantoliniego, Gabriela Studera, Camilli Paleari, Fabiana Frommelta, Torstena Schwede, Natalie de Souza, Yves Barral i Paola Picotti, 16 października 2024 r., Biotechnologia Przyrody.
DOI: 10.1038/s41587-024-02432-8
