Учёные исследуют мощную систему молекулярной передачи сигналов, выходящую за пределы ДНК

от

Учёные раскрывают секреты быстродействующей сети молекулярной передачи сигналов, которая сильно влияет на то, как люди и все организмы приспосабливаются и реагируют на окружающий мир.

В то время как ДНК и гены, которые она кодирует, привлекают широкое внимание, процесс реализации этих инструкций — сложный процесс, зависящий от нескольких малоизвестных молекулярных действий. Для каждого фактора окружающей среды — тепла, холода, опасности, патогенной угрозы, голода — организм полагается на сеть молекулярных сигналов, которые определяют, как проявляется генетический код.

Тонг Чжан и другие учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики участвуют в исследовательском проекте Predictive Phenomics Initiative. Цель проекта — понять и контролировать эти процессы, выяснить, как факторы, выходящие за рамки генетического кода, определяют черты людей, растений и всех живых существ. Исследования обещают многое для биоэкономики, здоровья человека и других областей.

Большая часть действий происходит через молекулярные события, называемые посттрансляционными модификациями (PTM). Это быстрые химические сигналы, посылаемые белкам — молекулярным рабочим лошадкам, которые являются конечным продуктом генетического кода, — что позволяет организму реагировать на условия окружающей среды. Это биологическая версия мгновенных сообщений, обеспечивающая постоянные настройки, чтобы поддерживать организм в безопасности и здоровье в постоянно меняющемся мире.

Сигналы могут означать разницу между здоровьем и болезнью или между мощным микробным производством и плохим производством. Чжан изучает их роль в промышленном производстве обычных повседневных продуктов и в борьбе с вирусами.

Система наделяет организм чрезвычайной гибкостью, далеко выходящей за рамки того, что предусмотрено его ДНК. Хотя организм в конечном итоге производит один белок из участка ДНК, этот единственный белок может быть модифицирован для выполнения множества различных функций. Небольшое химическое изменение может изменить то, что делает белок, как часто, когда и где. Это даёт некоторым организмам, таким как люди, огромное количество специализированных молекулярных инструментов — индивидуальных белков — в их распоряжении.

«ДНК кодирует только один белок, — сказал Чжан, — но организм может модифицировать и контролировать его, чтобы он выполнял множество различных функций. У человека примерно 20 000 генов, которые могут кодировать 20 000 белков, но с множеством способов их оформления и модификации существует миллионы возможных форм и функций белков. Это даёт организму замечательную гибкость для борьбы с постоянно меняющейся средой».

Чжан создаёт новые способы прослушивания этой сигнальной сети, насчитывающей более 600 различных типов модификаций. Сообщения настолько быстрые и преходящие, что их было трудно обнаружить и изучить. Чжан разработал новые способы сохранения и измерения этих событий, предоставив учёным новые инструменты, позволяющие выйти за рамки последовательности химических оснований, составляющих ДНК, и понять, как они реализуются.

Его инструменты включают тщательные лабораторные протоколы, чтобы сохранить как можно больше изменений для анализа. Использование автоматизированных лабораторных инструментов для ускорения обработки и анализа становится всё более распространённым. Он разработал способы измерения более чем одного типа изменений — как фосфорилирования, так и окисления — во время одного эксперимента, и он может обнаружить десятки тысяч модификаций в одном эксперименте.

Самым важным инструментом является масс-спектрометрия, которая даёт измерение, известное как соотношение массы и заряда молекулы. Масс-спектрометрия — это наиболее точный метод, используемый учёными сегодня для обнаружения этих модификаций. Техника удивительно чувствительна; это необходимость, потому что масса типичной молекулярной модификации намного меньше одной триллионной одной миллиардной грамма. Это крошечная величина даже в микроскопическом мире — это всё равно что обнаружить и точно определить массу одного кирпича на всей поверхности Земли.

«Эти процессы было трудно изучать из-за отсутствия аналитических инструментов, — сказал Чжан. — Во многих лабораториях есть очень зрелые технологии для изучения ДНК или матричной РНК, но мало кто может измерять и характеризовать эти модификации белков».

По мере того как более совершенные инструменты будут раскрывать всё больше молекулярных сигналов, перед Чжаном и другими встанет задача понять, как они все сочетаются друг с другом и какие из них наиболее влиятельны.

Чжан и его коллеги изучают это явление на дрожжах. В статье, опубликованной 21 июля в журнале Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, они предлагают новые идеи для повышения урожайности вида дрожжей, используемых для производства химических веществ, используемых в продуктах по уходу за кожей, производстве продуктов питания и биопластиков.

Команда изучала Rhodotorula toruloides, красные дрожжи, используемые для производства веществ, называемых олеохимическими. Учёные используют процесс, известный как ограничение азота, чтобы контролировать дрожжи, перенаправляя их ресурсы на создание дополнительных жирных молекул, называемых липидами, которые имеют множество применений в промышленности.

Чжан и его коллеги проанализировали молекулярную активность организма в ответ на ограничение азота. Команда обнаружила сдвиги в двух типах модификаций: окислительно-восстановительных модификациях и фосфорилировании во многих белковых путях. Это первый раз, когда окислительно-восстановительные модификации были продемонстрированы у этих дрожжей.

«Возможно, мы сможем что-то сделать на уровне PTM, чтобы организм направлял больше своей энергии на то, что вы хотите, чтобы клетки производили, — сказал Чжан. — Мы изучаем это сейчас».

Команда Чжана также изучает роль этого процесса у людей. В недавней обзорной статье, опубликованной в журнале Frontiers in Immunology, команда Чжана исследовала роль этого процесса в том, как организм реагирует на вирусную инфекцию.

PTM могут помочь человеку отключить способность клеток создавать копии вирусного захватчика или активировать иммунные клетки для борьбы с вирусом. Они могут действовать как привратник, предотвращая проникновение вируса в клетку. С другой стороны, вирусы могут использовать этот процесс в своих интересах, используя сигнальный механизм хозяина для усиления своей атаки.

«Роль PTM в вирусной атаке — это новая область, — сказал Чжан. — Есть некоторые противовирусные препараты, которые работают через этот механизм, но не так много известно о том, как они работают на самом деле. Мы надеемся узнать больше об этих механизмах, чтобы определить новых кандидатов для противовирусных препаратов».

Предоставлено:
[Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория](https://phys.org/partners/pacific-northwest-national-laboratory/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте