Naukowcy opracowali nowe narzędzia matematyczne do pomiaru szybkości degradacji białek, zapewniające głębszy wgląd w mechanizmy starzenia i chorób oraz wnoszące wkład w dziedzictwo badań nad białkami.
Naukowcy opracowali narzędzia matematyczne do ilościowego określania szybkości degradacji białek komórkowych, oferując nowy wgląd w starzenie się i choroby. W ich badaniu podzielono białka na trzy grupy szybkości degradacji i zbadano ich wpływ na rozwój mięśni, głód i choroby neurodegeneracyjne. Metoda ta pogłębia naszą wiedzę na temat procesów komórkowych.
Jak wynika z niedawnego badania, którego współautorem jest badacz ze stanu Mississippi wraz z kolegami z Harvard Medical School i Uniwersytetu w Cambridge, nowe metody matematyczne pokazujące tempo degradacji białek komórkowych mogą zapewnić głębszy wgląd w proces starzenia.
Galen Collins, adiunkt na Wydziale Biochemii, Biologii Molekularnej, Entomologii i Patologii Roślin MSU, jest współautorem przełomowego artykułu opublikowanego w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Naukw kwietniu.
„Rozumiemy już, jak szybko powstają białka, co może zająć kilka minut” – powiedział Collins, który jest także naukowcem w Stacji Doświadczalnej Rolnictwa i Leśnictwa w Mississippi. „Do tej pory bardzo słabo wiedzieliśmy, ile czasu zajmuje ich awaria”.
Galena Collinsa. Źródło: Grace Cockrell
W artykule z matematyki stosowanej przedstawiono nowe narzędzia służące do ilościowego określenia szybkości degradacji białek komórkowych – szybkości ich rozkładu – co pomaga nam zrozumieć, w jaki sposób komórki rosną i umierają oraz jak się starzejemy. Białka – złożone cząsteczki utworzone z różnych kombinacji aminokwasy— przenoszą większość zadań wewnątrz komórki, zapewniając jej strukturę, odpowiadając na komunikaty z zewnątrz komórki i usuwając odpady.
Nowe odkrycia dotyczące szybkości degradacji białek
Wyniki pokazały, że nie wszystkie białka ulegają degradacji w tym samym tempie, lecz dzielą się na jedną z trzech kategorii, rozkładając się w ciągu minut, godzin lub dni. Podczas gdy poprzednie badania dotyczyły rozkładu białek komórkowych, to badanie było pierwszym, w którym określono matematycznie tempo degradacji wszystkich cząsteczek białek komórkowych, stosując technikę zwaną maksymalną entropią.
„W przypadku niektórych pytań naukowych eksperymenty często mogą ujawnić nieskończenie wiele możliwych odpowiedzi; jednak nie wszystkie są równie prawdopodobne” – powiedział główny autor Alexander Dear, pracownik naukowy w dziedzinie matematyki stosowanej na Uniwersytecie Harvarda. „Zasada maksymalnej entropii to prawo matematyczne, które pokazuje nam, jak precyzyjnie obliczyć wiarygodność każdej odpowiedzi – jej „entropię” – abyśmy mogli wybrać tę, która jest najbardziej prawdopodobna”.
„Ten rodzaj matematyki przypomina kamerę, która z dużej odległości przybliża tablicę rejestracyjną i oblicza, jakie powinny być liczby” – powiedział Collins. „Maksymalna entropia daje nam jasny i precyzyjny obraz tego, jak zachodzi degradacja białek w komórkach”.
Konsekwencje degradacji białek
Ponadto zespół wykorzystał te narzędzia do zbadania niektórych konkretnych konsekwencji degradacji białek dla ludzi i zwierząt. Po pierwsze, zbadali, jak zmieniają się te wskaźniki w miarę rozwoju mięśni i przystosowania się do głodu.
„Odkryliśmy, że głód miał największy wpływ na pośrednią grupę białek w komórkach mięśniowych, których okres półtrwania wynosi kilka godzin, powodując przesunięcie i przyspieszenie rozkładu” – powiedział Collins. „To odkrycie może mieć konsekwencje dla pacjentów chorych na raka, którzy doświadczają kacheksji, czyli zaniku mięśni w wyniku choroby i jej leczenia”.
Zbadali także, w jaki sposób zmiana rozkładu niektórych białek komórkowych przyczynia się do chorób neurodegeneracyjnych.
„Do tych chorób dochodzi, gdy białka odpadowe, które zwykle szybko się rozkładają, żyją dłużej, niż powinny” – powiedział Collins. „Mózg przypomina sypialnię nastolatka, w którym gromadzą się śmieci, a jeśli ich nie sprzątniesz, nie będzie się w nim mieszkać.”
Dear potwierdził, że wartość badania polega nie tylko na tym, co ujawniło na temat degeneracji białek komórkowych, ale także na udostępnieniu naukowcom nowej metody precyzyjnego badania aktywności komórek.
„Nasza praca zapewnia nową, potężną metodę eksperymentalną ilościowego określania metabolizmu białek w komórkach” – powiedział. „Jego prostota i szybkość sprawiają, że szczególnie dobrze nadaje się do badania zmian metabolicznych”.
Doradca Collinsa z tytułem doktora na Harvardzie i współautor artykułu, nieżyjący już Alfred Goldberg, był pionierem w badaniu życia i śmierci białek. Collins zauważył, że badanie to opierało się na prawie pięćdziesięciu latach badań Goldberga i jego współpracy z matematykami z Uniwersytetu Cambridge na koniec jego kariery. Po przybyciu do MSU rok temu Collins kontynuował współpracę ze swoimi kolegami przy pisaniu artykułu.
„To niesamowity zaszczyt zostać opublikowanym w PNAS, ale bycie częścią tego zespołu było też świetną zabawą” – powiedział Collins. „To bardzo znaczące, że dorobek mojego byłego mentora został zamknięty i opublikowany”.
Odniesienie: „Określenie maksymalnej entropii dynamiki proteomu ssaków” autorstwa Alexandra J. Deara, Gonzalo A. Garcii, Georga Meisla, Galena A. Collinsa, Tuomasa PJ Knowlesa i Alfreda L. Goldberga, 23 kwietnia 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2313107121
Badanie zostało sfinansowane przez Narodowy Instytut Ogólnych Nauk Medycznych, The Cure Alzheimera Fund, Lindemann Trust Fellowship, the English-Speaking Union, George and Lillian Schiff Foundation Studentship, EMBO Short-Term Fellowship oraz Sidney Sussex College Cambridge Junior Research Fellowship.
