Альтернативні білки, кодовані одним і тим же геном, мають широко розходяться функції в клітинах

Незвично, що брати і сестри здаються більш несхожими, ніж подібними: один стає флористом, наприклад, інший стає флейтистом, а інший - фізиком.

білки

Щось такого ж різноманіття стосується "розплоду" білків, що виробляються з будь-якого окремого гена в клітинах людини, нове дослідження, проведене вченими Інституту раку Дани-Фарбер, Каліфорнійський університет, Медичної школи Сан-Дієго та Університету Макгілла . У першому масштабному систематичному дослідженні дослідники виявили, що більшість братів і сестер - відомих як "білкові ізоформи", що кодуються одним і тим же геном - часто відіграють кардинально різні ролі в тканинах і клітинах, хоч як вони можуть бути структурно.

Дослідження, опубліковане в Інтернеті журналом Cell, має потужний вплив на розуміння людської біології та напрямок майбутніх досліджень. По-перше, це може допомогти пояснити, як лише 20 000 генів, що кодують білок в геномі людини - менше, ніж у геномі винограду - можуть породити істот такої величезної складності. Вченим відомо, що кількість різних білків у клітинах людини, яке, як вважають, перевищує 100 000, набагато перевищує кількість генів, але багато питань залишається. Чи більшість з цих білків виконують унікальну функцію в клітині, або їх ролі часом збігаються? Відкриття того, що різні ізоформи білка, кодовані одним і тим самим геном, можуть мати різні функції у більшому масштабі, ніж реалізується, свідчить про те, що вони значно примножують те, на що здатні наші гени.

Це різноманіття також свідчить про те, що кожну ізоформу білка потрібно вивчати окремо, щоб зрозуміти її нормальну роль та потенційну участь у хворобі, стверджують автори дослідження.

"Наприклад, дослідження білків, пов'язаних з раком, часто зосереджуються на найбільш поширених ізоформах у певній клітині, тканині або органі", - сказав співавтор Девід Е. Хілл, доктор філософії, заступник директора Центру біології систем раку. (CCSB) у Dana-Farber. "Оскільки менш поширені білкові ізоформи можуть також сприяти захворюванню і можуть виявитися цінними мішенями для медикаментозної терапії, слід також вивчити їх роль; і для того, щоб це зробити належним чином, нам також потрібні комплексні колекції клонів, що охоплюють усі виражені ізоформи".

Попередні функціональні дослідження ізоформ білка, як правило, проводились на основі генів за генами. Крім того, дослідники часто порівнювали активність "незначних" ізоформ гена з активністю його переважної ізоформи у певній тканині. Нове дослідження підійшло до функціонального питання з більш широкої точки зору - шляхом збору безлічі ізоформ білків сотень генів і порівняння того, як вони конкретно взаємодіють з будь-яким іншим людським білком.

Одним із способів, як клітини продукують безліч білкових ізоформ з окремих генів, є процес, який називається альтернативним сплайсингом. Більшість людських генів містять безліч сегментів, які називаються екзонами, розділених інтервенційними некодуючими послідовностями, званими інтронами. У клітині різні комбінації цих окремих екзонів «склеюються» або зрощуються між собою, утворюючи кінцевий експресований генний продукт; таким чином, один ген може кодувати набір окремих, але споріднених ізоформ білка, залежно від конкретних сплавлених екзонів. Наприклад, одна ізоформа може бути результатом сплайсингу екзонів A-B-C-D певного гена. Інший може виникнути внаслідок пропуску екзону С, що призводить до отримання продукту лише з екзонами A-B-D.

Для нового дослідження дослідники розробили методику під назвою "ORF-Seq", яка дозволила їм ідентифікувати та клонувати велику кількість альтернативно зрощених генних продуктів у вигляді відкритих рамок зчитування (ORF) і використовувати їх для отримання безлічі ізоформ білка для сотень генів.

З приблизно 20 000 генів в геномі людини, що кодують білки, дослідники зосередилися на приблизно восьми відсотках. Використовуючи ORF-Seq, вони зрештою створили колекцію 1423 ізоформ білка для 506 генів, з яких понад 50 відсотків були абсолютно новими генними продуктами. Вони піддали 1035 цих білкових ізоформ за допомогою масового скринінгового тесту, який поєднав їх з 15000 людських білків, щоб побачити, який взаємодіє.

"Вражаючим відкриттям було те, що ізоформи, що походять від одного і того самого гена, часто взаємодіють з різними білковими партнерами", - зауважила Глорія Шейнкман, доктор філософії Дани-Фарбер та одна з провідних авторів. "Це свідчить про те, що ізоформи відіграють дуже різну роль у клітині" - так само, як брати і сестри з різною кар'єрою часто взаємодіють з різними групами друзів та колег.

Дослідники виявили, що в більшості випадків споріднені ізоформи мають менше половини своїх білкових партнерів. Шістнадцять відсотків споріднених ізоформ абсолютно не мають білкових партнерів. "З точки зору всіх взаємодій білків у клітині, пов'язані ізоформи поводяться більше як різні білки, ніж незначні варіанти одна одної", - стверджує Тонг Хао з Дани-Фарбер та один із провідних авторів.

Що цікаво, ізоформи, що походять від незначної різниці в ДНК - різниці лише в одній букві генетичного коду - іноді мали різко різну роль у клітині, виявили дослідники. У той же час споріднені ізоформи, які структурно досить різні, можуть виконувати дуже подібні ролі.

Дослідники виявили, що партнери по взаємодії пов'язаних ізоформ досить часто варіюються від тканини до тканини. Наприклад, у печінці ізоформа може взаємодіяти з одним набором білків. У мозку родич цієї ізоформи може взаємодіяти з набагато іншим набором білкових партнерів.

"Більш детальний погляд на мережі взаємодії з білками, як представлено в нашій роботі, особливо важливий стосовно захворювань людини", - сказала співавтор Лілія Якучева з UC San Diego. "Різкі відмінності у партнерах по взаємодії між сплайсинговими ізоформами настійно наводять на думку, що виявлення відповідних шляхів захворювання на генному рівні недостатньо. Це пояснюється тим, що різні варіанти можуть брати участь у різних шляхах, що ведуть до однієї і тієї ж хвороби або навіть до різних захворювань. Пора глибше поринути у мережі, які ми будуємо та аналізуємо ".