Расшифровка языка клеток с помощью протеомики
Многоклеточные организмы возникли сотни миллионов лет назад, когда отдельные клетки объединились. Основой этого многоклеточного мира является клеточная поверхность — плазматическая мембрана, где отдельные единицы встречаются и общаются друг с другом на языке молекул и белков.
Для биологов расшифровка этого клеточного диалога — какие белки присутствуют, как они взаимодействуют и как меняются — ключ к пониманию функционирования организма и возникновения болезней.
Исследователи из Janelia Research Campus (HHMI), Стэнфордского университета и Broad Institute разрабатывают удобные инструменты, чтобы помочь учёным перевести эту клеточную коммуникацию и раскрыть новые детали обмена информацией между клетками.
«Если представить тело как общество клеток, наша цель — расшифровать язык этого общества и то, как клетки общаются друг с другом», — говорит руководитель группы в Janelia Цзефу Ли, старший автор трёх новых публикаций.
Новые исследования не только дают учёным новое понимание клеточной коммуникации, но и демонстрируют потенциал протеомики — изучения всех белков в живых клетках и организмах — для чтения базовых языковых единиц клетки и решения крупнейших загадок биологии.
«Мы начали с создания инструментов для протеомики, а затем применили их к конкретным биологическим вопросам, чтобы сделать открытия и продемонстрировать возможности протеомики», — говорит Ли. — «Мы показываем, что протеомику можно применять ко многим биологическим вопросам: от нейробиологии до иммунологии, от мух до человека».
Изучение языка клеток
Ли начал разрабатывать методы и инструменты для изучения белков на поверхности клетки ещё будучи аспирантом и постдоком в Стэнфорде. Биологи по всему миру начали использовать эти методы, но у многих возникла проблема: без фона в химической биологии или протеомике им было трудно интерпретировать получаемые данные.
Когда Ли стал руководителем группы в Janelia в 2022 году, он решил эту проблему. В сотрудничестве с командой Scientific Computing Software был разработан PEELing — удобная платформа, позволяющая исследователям по всему миру анализировать данные пространственной протеомики одним щелчком мыши.
«Основная цель — помочь людям без фона в химической биологии или протеомике использовать наш метод и привлечь их к этой методологии», — говорит Ли. — «Нам нужно сделать этот первый шаг простым и надёжным, потому что люди хотят сосредоточиться на своих биологических открытиях, а не на технических деталях».
Расшифровка сигналов
Ли и его коллеги также используют эти методы и инструменты, чтобы больше узнать о том, как происходит коммуникация внутри и снаружи клеточной поверхности.
В недавней статье в Cell Ли и исследователи из Стэнфорда и Broad Institute изучили сигнализацию внутри нейронов после активации тенёрина — белка, пронизывающего клеточную мембрану и соединяющего аксоны с дендритами для формирования синапсов в развивающемся мозге. Учёные знали, что тенёрин отвечает за это синаптическое сопряжение, но не знали, что происходит внутри клетки после высвобождения сигнала.
Исследователи использовали метку близости (proximity labeling), чтобы захватить молекулы, взаимодействующие с тенёрином внутри клетки. Затем с помощью протеомики они идентифицировали эти белки и сузили круг потенциально вовлечённых в процесс. Команда использовала генетику, чтобы понять, как эти белки-кандидаты взаимодействуют с тенёрином, что позволило определить партнёров по сигнализации и выяснить клеточные и молекулярные механизмы синаптического сопряжения.
В другом недавнем исследовании, опубликованном в The Journal of Immunology, Ли и исследователи из Стэнфорда и Broad Institute использовали протеомику клеточной поверхности для изучения человеческих дендритных клеток, которые координируют врождённый и адаптивный иммунитет через свои поверхностные белки. Чтобы лучше понять эту координацию, команда изучила, как меняется клеточная поверхность при активации дендритных клеток.
Исследователи активировали дендритные клетки, затем пометили, захватили и количественно определили белки на их поверхности. Далее они аннотировали эти белки по их известным функциям и сравнили белки, присутствующие в активированных и покоящихся дендритных клетках. В результате этой характеристики было обнаружено, как клетка модулирует активность десятков белков для регуляции иммунного ответа.
«В целом, вся эта работа возвращает нас к нашей центральной цели в лаборатории — расшифровке клеточной поверхности», — заключает Ли. — «Протеомика может обеспечить всесторонний системный взгляд и дать действительно информативные подсказки для последующих механистических исследований».