Biodiversitetens rødder:Hvordan proteiner adskiller sig på tværs af arter

For bedre at forstå, hvad der driver biologisk mangfoldighed på Jorden, har forskere historisk set på genetiske forskelle mellem arter. Men dette giver kun en del af billedet. Egenskaberne for en bestemt art er ikke kun resultatet af dens gener, men også de proteiner, disse gener koder for. At forstå forskellene mellem arternes proteomer - eller alle de proteiner, der kan udtrykkes - er derfor lige så vigtigt som at forstå forskelle mellem genomer.

I en ny undersøgelse har Yale-forskere sammenlignet proteomerne af hudceller fra 11 pattedyr, som, de siger, vil hjælpe videnskabsmænd med at forstå de molekylære drivkræfter bag biodiversitet, og hvordan disse faktorer har udviklet sig over tid.

De fandt ud af, at mens mange proteiner er tilsvarende variable både på tværs af og inden for arter, er nogle mere variable mellem arter, hvilket giver fingerpeg om, hvilke proteiner der kan være vigtigere i pattedyrs evolution. Arbejdet kan også hjælpe forskere med at forstå, hvorfor nogle arter er mere modstandsdygtige over for kræft.

Deres resultater blev offentliggjort den 9. september i Science Advances .

"For at forstå biologisk mangfoldighed, sammen med at vide, hvordan DNA'et er forskelligt på tværs af arter, vil du måske også gerne vide, hvordan arter opfører sig, udvikler sig og ser anderledes ud," sagde Günter Wagner, Alison Richard professor emeritus i økologi og evolutionær biologi .

Og disse egenskaber - hvordan en art ser ud, opfører sig og udvikler sig - menes at være tættere relateret til proteinniveauer end til DNA, forklarede Yansheng Liu, en assisterende professor i farmakologi ved Yale School of Medicine.

Det har dog været vanskeligt at sammenligne proteinmængder på tværs af arter, da teknologien til at lave analyser i stor skala ikke har eksisteret. Men Liu har anvendt en metode kaldet data-uafhængig opsamlingsmassespektrometri, der nu giver forskere mulighed for at udføre denne type arbejde.

"Det er et konceptuelt og teknisk gennembrud, der lader os arbejde på dette højere, mere funktionelt relevante niveau," sagde Wagner.

Liu er medlem af Yale Cancer Biology Institute og Wagner er medlem af Systems Biology Institute, begge placeret på Yale's West Campus. Det var der, under et symposium om kræftsystembiologi, de begge deltog, at deres samarbejde begyndte.

Til undersøgelsen kvantificerede forskerne alle proteiner udtrykt i hudceller fra 11 pattedyrarter:kaniner, rotter, aber, mennesker, får, køer, grise, hunde, katte, heste og opossums.

Analysen, fandt de, gav information, der ikke kunne opnås gennem andre teknikker. For eksempel, mens tidligere forskning har set på forskelle i mRNA - det genetiske materiale, der bruges til at skabe proteiner - fandt de ud af, at måling af proteiner gav yderligere information, som ikke kunne fanges ved at analysere mRNA alene, da mRNA kun er et indirekte mål for proteinoverflod .

En streng af mRNA bærer koden for at skabe et protein. Og mens enkelte proteiner kan have en bestemt funktion, kan proteiner også interagere med hinanden og fungere som grupper, forklarede Liu. Bare at se på mRNA vil ikke give den information.

"Vi fandt ud af, at især for visse proteinklasser er proteinforholdet til mRNA meget lavt," sagde Liu. "Det betyder, at mRNA-profilen alene ville være vildledende."

Holdet så på proteinvariation både på tværs af arter og på tværs af individer inden for den samme art, og fandt ud af, at niveauer, der var mere variable mellem individer, også var mere variable mellem arter for de fleste proteiner. Men der var nogle proteiner, der ikke passede til den trend. For eksempel var proteiner relateret til celledeling og RNA-metabolisme mere variable mellem arter end mellem individer af en art (mennesker, i dette tilfælde). Dette tyder på, at disse funktioner spiller en særlig vigtig rolle i pattedyrs evolution, sagde forskerne.

"Inter-arts versus inter-individuelle forskelle er meget interessant fra et evolutionært synspunkt," sagde Wagner. "Sammenligning af de to giver os en idé om, hvor meget variation der tolereres inden for en art, og vi kan bruge den information til at forudsige kapaciteten til evolution."

Til sidst sammenlignede forskerne protein-fjernelsessystemer på tværs af arter. Der er to hovedsystemer, der er ansvarlige for at fjerne proteiner i celler, og de fandt ud af, at det ene var ens på tværs af arter, mens det andet udviste en del variation blandt de forskellige pattedyr.

Denne proteinomsætning bestemmer, hvor hurtigt en celle kan ændre sin tilstand, tilføjede Wagner. "Hvis et nyt signal kommer ind, skal cellen smide de proteiner ud, der var nødvendige for dens tidligere tilstand og skabe nye," sagde han.

Og hvor hurtigt en celle ændrer tilstand kan være relevant for kræft.

"Sunde celler kan påvirkes af nærliggende kræftceller," sagde Wagner. "Det vil være vigtigt at forstå, om proteinomsætningshastigheder er relateret til, hvor reaktive celler er til påvirkninger fra tumorceller. Måske har arter, der er mere modstandsdygtige over for kræft, såsom klovdyr som køer og grise, celler, der er mindre i stand til at ændre tilstand og mindre modtagelig for signalerne fra kræftceller."

Og at forstå kræftsårbarhed er blot en potentiel anvendelse af dette arbejde, sagde forskere. For eksempel kan de begynde at korrelere proteinforskelle med andre egenskaber, der adskiller sig på tværs af arter, siger Liu.

Proteiner er genstand for kemiske modifikationer, som opstår, når andre molekyler binder sig til et protein og aktiverer eller deaktiverer det. Og disse modifikationer bidrager til egenskaber, der adskiller sig mellem og inden for arter, da de spiller en stor rolle, der påvirker proteinfunktionen. Forskerne vurderede en type modifikation i denne undersøgelse, phosphorylering, og at finde variationer i phosphoryleringsniveauer var for det meste ikke relateret til variationer i proteinoverflod, hvilket gav endnu et lag af forståelse for, hvad der driver biodiversitet. Forskerne vil fortsætte med at vurdere andre ændringer i det fremtidige arbejde.

"Det vil give et mere komplet billede," sagde Liu og tilføjede, at biologiske variationer mellem arter og individer er det, der former den biologiske mangfoldighed på Jorden. "Måling af forskellene i både proteiner og modificerede proteiner på tværs af arter vil fremme vores forståelse af biodiversitet på molekylært niveau." + Udforsk yderligere

Undersøgelse af pattedyrs udvikling for at afdække genregulering, der forbinder graviditet og cancermetastaser