Сеть, получившая название BioPlex 2.0, идентифицирует более 56000 уникальных межбелковых взаимодействий — 87 процентов из них ранее были неизвестны — это самая большая такая сеть на сегодняшний день.
BioPlex выявляет белковые сообщества, связанные с фундаментальными клеточными процессами и заболеваниями, такими как гипертония и рак, и выделяет новые возможности для усилий по пониманию биологии человека и болезней.
Работа проводилась в сотрудничестве с Biogen, которая также частично финансировала исследование.
"Ген — это не просто последовательность фрагмента ДНК. Ген — это также белок, который он кодирует, и мы никогда не поймем геном, пока не поймем протеом », — сказал соавтор исследования Уэйд Харпер, профессор молекулярной патологии Берта и Натали Валли и председатель факультета клеточной биологии Гарварда. Медицинская школа. "BioPlex предоставляет основу с глубиной и широтой данных, необходимых для решения этой проблемы."
«Этот проект представляет собой атлас взаимодействия белков человека, охватывающий практически все аспекты биологии», — сказал соавтор Стивен Гайги, профессор клеточной биологии и директор Центра мультиплексной протеомики Термо Фишера при Гарвардской медицинской школе. «Он создает социальную сеть для каждого белка и позволяет нам видеть не только то, как белки взаимодействуют, но и возможные функциональные роли ранее неизвестных белков."
Приманка и добыча
Из примерно 20 000 генов, кодирующих белок в геноме человека, ученые изучили лишь часть детально. Чтобы работать над описанием всего набора белков в клетке и взаимодействий между ними — известных как протеом и интерактом, соответственно — команда под руководством Харпера и Гайджи разработала BioPlex, высокопроизводительный подход для идентификации белковое взаимодействие.
BioPlex использует так называемую аффинную очистку, при которой в лабораторных условиях в клетках человека экспрессируется один меченый белок-приманка. Белок-приманка связывается со своими партнерами по взаимодействию, или белками-«жертвами», которые затем вылавливаются из клетки и анализируются с помощью масс-спектрометрии, метода, который идентифицирует и количественно определяет белки на основе их уникальных молекулярных сигнатур. В 2015 году первая попытка (BioPlex 1.0) использовали около 2600 различных белков-приманок, взятых из базы данных Human ORFeome, для выявления почти 24000 белковых взаимодействий.
В текущем исследовании команда расширила сеть, включив в общей сложности 5891 белок-приманку, что выявило 56 553 взаимодействия с участием 10961 различных белков. Примерно о 87 процентах этих взаимодействий ранее не сообщалось.
Вина по ассоциации
картируя эти взаимодействия, BioPlex 2.0 идентифицирует группы функционально связанных белков, которые имеют тенденцию группироваться в тесно взаимосвязанные сообщества.
Такой анализ «виновности по ассоциации» предполагал возможные роли ранее неизвестных белков, поскольку эти сообщества часто смешивают белки как с известными, так и с неизвестными функциями.
Команда нанесла на карту многочисленные белковые кластеры, связанные с основными клеточными процессами, такими как транскрипция ДНК и выработка энергии, а также с различными заболеваниями человека. Например, колоректальный рак, по-видимому, связан с белковыми сетями, которые играют роль в аномальном росте клеток, в то время как гипертония связана с белковыми сетями для ионных каналов, факторов транскрипции и метаболических ферментов.
«С обновленной сетью мы можем делать более точные прогнозы, потому что у нас есть более полная картина взаимодействий внутри клетки», — сказал первый автор Эдвард Хаттлин, преподаватель клеточной биологии в Гарвардской медицинской школе. «Мы можем выделить статистические закономерности в данных, которые могут указывать на восприимчивость к заболеваниям для определенных белков, или другие, которые могут указывать на функцию или свойства локализации. Это делает значительную часть протеома человека доступной для изучения."
Точка запуска
Вся сеть BioPlex и сопутствующие данные общедоступны, что поддерживает как крупномасштабные исследования взаимодействия белков, так и целевые исследования функции конкретных белков.
Хотя сеть представляет собой самую большую коллекцию таких данных, собранных на сегодняшний день, авторы предупреждают, что она остается неполной моделью.
Текущий конвейер экспрессирует белки-приманки только в одном типе клеток (клетки эмбриональной почки человека), выращенных, например, в одном наборе условий, и различные взаимодействия могут происходить в разных типах клеток или микроокружении.
По мере того, как сеть увеличивается в размерах и все больше человеческих белков используется в качестве приманок, ученые могут лучше судить о точности каждого отдельного взаимодействия белков, учитывая его контекст в более крупной сети. Выделение одного и того же белкового комплекса несколько раз, каждый раз с использованием другого члена в качестве приманки, может обеспечить несколько независимых экспериментальных наблюдений для подтверждения принадлежности каждого белка. Более того, используя белки жертвы в качестве приманки, многие взаимодействия белков могут наблюдаться и в противоположном направлении.
Оба этих сценария значительно снижают вероятность того, что определенные взаимодействия были обнаружены случайно. Команда продолжает добавлять в BioPlex с целевой целью около 10 000 белков-приманок, которые покроют половину генома человека и еще больше увеличат предсказательную силу сети.
"Мы, конечно, не видим всех взаимодействий, но это отправная точка. Мы считаем важным продолжить построение этой карты, чтобы увидеть, какая часть ее воспроизводится в других типах клеток в различных условиях, чтобы увидеть, являются ли взаимодействия аналогичными или динамическими », — сказал Гиги. "Потому что независимо от того, интересуетесь ли вы раком или нейродегенеративным заболеванием, основным развитием или эволюционной приспособленностью — вы можете выдвигать новые гипотезы и чему-то научиться у этой сети."