Parasitforskere smelter proteiner ned for at forstå deres roller i forbindelse med infektion

Ligesom mennesker, planter og bakterier bruger den encellede parasit Toxoplasma gondii (T. gondii) calcium som budbringer til at koordinere vigtige cellulære processer. Men mens budbringeren er den samme, er de kommunikationsveje, der dannes omkring calcium, væsentligt forskellige mellem organismer.

"Da Toxoplasma-parasitter er så forskellige fra os, har de udviklet deres egne sæt af proteiner, der er involveret i calcium-signalveje," sagde Alice Herneisen, en kandidatstuderende i laboratoriet af Whitehead Institute-medlem Sebastian Lourido.

Lourido og hans laboratorium studerer de molekylære mekanismer, der gør det muligt for den encellede parasit T. gondii og relaterede patogener at være så udbredt og potentielt dødelig - og calciumsignalering er en vigtig del af parasittens proces med at invadere dens værter. "Calcium styrer denne meget vigtige overgang fra parasitter, der replikerer inde i værtsceller til parasitter, der forlader disse celler og opsøger nye at inficere," sagde Lourido. "Vi har været virkelig interesserede i, hvordan calcium spiller ind i reguleringen af ​​proteiner inde i parasitten."

Et papir udgivet 17. august i eLife giver en vis indsigt. I papiret brugte Herneisen, Lourido og samarbejdspartnere en tilgang kaldet termisk profilering til bredt at undersøge, hvilke parasitproteiner der er involveret i calciumsignalering i T. gondii. Det nye arbejde afslører, at et uventet protein spiller en rolle i parasitcalciumveje og giver nye mål, som forskere potentielt kan bruge til at stoppe spredningen af ​​parasitten. Dataene vil også tjene som en ressource, som andre Toxoplasma-forskere kan bruge til at finde ud af, om deres egne proteiner af interesse interagerer med calciumveje i parasitceller.

Varmen er tændt

Når man studerer calciumveje hos mennesker, kan forskere ofte drage paralleller fra arbejde med mus. "Men parasitter er meget forskellige fra os," sagde Lourido. "Alle de principper, vi har lært om calciumsignalering hos mennesker eller mus, kan ikke let oversættes til parasitter."

Så for at studere disse mekanismer i Toxoplasma, måtte forskerne starte fra bunden for at bestemme, hvilke proteiner der var involveret. Det var her, den termiske profileringsmetode kom ind i billedet. Metoden er baseret på den observation, at proteiner er designet til at fungere godt ved bestemte temperaturer, og når det bliver for varmt for dem, smelter de. Overvej æg:Når proteinerne i æggehvider og æggeblommer opvarmes i en stegepande, begynder proteinerne at smelte og stivne. "Når vi tænker på et protein, der smelter, mener vi, at proteinerne optrævler," sagde Lourido. "Når proteiner optrævler, afslører de sidekæder, der binder til hinanden. De holder op med at være individuelle proteiner, der er godt foldede og bliver til et mesh."

Små ændringer i den kemiske struktur af et protein - såsom ændringer som følge af binding af et lille molekyle såsom calcium - kan ændre et proteins smeltepunkt. Forskere kan derefter spore disse ændringer ved hjælp af proteomiske metoder. "Proteiner, der binder calcium, ændrer sig som reaktion på calcium og ændrer i sidste ende deres termiske stabilitet," sagde Herneisen. "Det er en slags sprog for proteiner, ændringer i deres termiske stabilitet."

Den termiske profileringsmetode fungerer ved at tilføre varme til parasitceller og tegne grafisk, hvordan hver af parasittens proteiner reagerer på ændringer i temperatur under forskellige forhold (f.eks. tilstedeværelse eller fravær af calcium). I et papir fra 2020 brugte forskerne den termiske profileringsmetode til at undersøge, hvilken rolle et protein kaldet ENH1 spiller i calciumsignalering.

I deres nye papir undersøgte Lourido og Herneisen effekten af ​​calcium på alle proteiner i parasitten ved hjælp af to tilgange. Forskerne kombinerede parasitter med specifikke mængder calcium, anvendt varme og udførte derefter proteomiske teknikker for at spore, hvordan calcium påvirkede smelteadfærden af ​​hvert protein. Hvis et proteins smeltepunkt var højere eller lavere end normalt, kunne forskerne udlede, at det protein blev ændret enten af ​​calcium selv eller af en anden spiller i en calciumsignalvej.

De behandlede derefter parasitterne med et kemikalie, der fik dem til at frigive lagret calcium på en kontrolleret måde og målte, hvordan en proteinmodifikation kaldet phosphorylering ændrede sig over tid. Sammen gav disse metoder dem mulighed for at udlede, hvordan proteiner kunne mærke og reagere på calcium i signalnettet.

Deres tilgang leverede data om næsten alle udtrykte proteiner i parasitcellerne, men forskerne fokuserede på et bestemt protein kaldet Protein Phosphatase 1 (eller PP1). Proteinet er allestedsnærværende på tværs af mange arter, men har aldrig tidligere været impliceret i calciumsignalveje. De fandt ud af, at proteinet var koncentreret i forenden af ​​parasitten. Denne region af parasitcellen er involveret i motilitet og værtsinvasion.

Proteinets rolle i parasitterne – og i de andre organismer, hvori det optræder – er at fjerne de små molekyler, der kaldes fosfater, fra fosforylerede proteiner. "Dette er en modifikation, der ofte kan ændre aktiviteten af ​​individuelle proteiner, fordi det er denne store ladning, der er blevet kovalent fast på overfladen af ​​proteinet," sagde Lourido. "Dette ender med at blive et princip, hvorigennem mange, mange forskellige biologiske processer er reguleret."

Hvor præcist PP1 interagerer med calcium, skal endnu ses. Da forskerne udtømte PP1 i parasitceller, fandt de ud af, at proteinet på en eller anden måde er involveret i at hjælpe parasitten med at optage calcium, der er nødvendigt for bevægelse. Det er uklart, om det rent faktisk binder calcium eller er involveret i vejen gennem en anden mekanisme.

Fordi parasitter bruger calciumsignalering til at koordinere livscyklusændringer, såsom at komme ind i eller forlade værtsceller, kan indsigt i nøglespillerne i calciumveje være en velsignelse for folkesundheden. "Dette er en slags trykpunkter eller hubs, som ville være ideelle at målrette mod for at forhindre spredning og patogenesen af ​​disse parasitter," sagde Herneisen.

Herneisen og samarbejdspartnere fokuserede primært på PP1, men der er mange andre proteiner at undersøge ved hjælp af data fra dette projekt. "I think part of the reason why I wanted to release this paper is so that the field could take the next steps," she said. "I'm just one person—it would be great if 20 other people find that the protein that they were studying is calcium responsive, and they can chase down the exact reason for that or how it is involved in this greater calcium signaling network. This was exciting for us with regards to PP1, and I'm sure other researchers will make their own connections." + Udforsk yderligere

Parasite research heats up