Et videnskabeligt datingspil - biologer spiller RNA-protein-matchmakere

Stort set alle funktioner i vores kroppe kræver præcise interaktioner mellem radikalt forskellige typer molekyler. Langt størstedelen af ​​tiden, disse møder giver intet, men nogle særlige få opretholder livet, som vi kender det.

Drs. Faruck Morcos og Zachary Campbell ved University of Texas i Dallas forfølger, hvad der adskiller et frugtbart møde fra en dud - et mysterium med lange odds, der ligner at finde en soulmate blandt de metaforiske millioner af fisk i havet. Deres ultimative mål er at forhindre de forhold, der bliver giftige og resulterer i sygdom.

En ny undersøgelse, udgivet i Naturkommunikation , viser forskernes fremskridt med at forstå, hvordan molekyler kaldet RNA parrer sig med tilsigtede proteinpartnere. Forskerne håber, at de i sidste ende vil være i stand til at forudsige og manipulere disse partnerskaber, der er blevet udskåret gennem millioner af års evolution.

"Vi forsøger at forstå, hvordan proteiner opnår bemærkelsesværdig selektivitet for visse RNA'er, " sagde Campbell, en adjunkt ved Institut for Biologiske Videnskaber på Institut for Naturvidenskab og Matematik. "Som regel, folk har set på dette problem fra sag til sag. Vi tror på, at ved at analysere millioner af varianter af RNA på én gang, vi vil hjælpe med at afsløre det grundlæggende i, hvordan RNA-bindende proteiner genkender, hvad de søger."

rigtige forbindelser

RNA, som står for ribonukleinsyre, er en type lille molekyle i struktur, der ligner DNA, den genetiske plan for opbygning og vedligeholdelse af en levende organisme. Mens DNA er inde i en celles kerne, RNA-strenge bevæger sig rundt i cellen, bærer kopier af DNA's instruktioner til fremstilling af proteiner.

Afhængigt af deres struktur, nogle RNA'er spiller roller ud over messenger. De kan binde sig til proteiner og regulere, hvordan gener udtrykkes eller fungere som katalysatorer for forskellige biologiske processer.

Sunde resultater af RNA-protein-interaktioner er afhængige af, at disse reaktioner forløber korrekt - defekte interaktioner kan give udviklingsproblemer i organismen, hvoraf nogle er dødelige. Alligevel er disse møder dårligt forstået, til dels på grund af det store antal potentielle interaktioner.

"For selv et kort stykke RNA, der er omtrent lige så mange kombinationer, som der er stjerner i vores galakse, " sagde Campbell.

Forudsigelse af stykkerne

Marokko, også en adjunkt i biologiske videnskaber, har udviklet kraftfulde statistiske metoder til at håndtere de enorme datamængder, der kræves for at bygge en model, der kvantificerer rummet på en billion mulige RNA -strukturer, og afslører, hvilke der er bedre kandidater til funktionelle interaktioner.

Han beskriver denne metode som at give "et stort antal brikker i et kæmpe puslespil, " så holdet kan forudsige tilstødende stykker ud fra kontekstuelle spor.

"Hvis eksperimenterne ikke kan fange den nøjagtige RNA-struktur, som evolutionen valgte for interaktioner, det informerer modellen om, hvordan man udleder disse strukturer, sagde han. Ikke kun det, vi kan også forudsige stykker, der aldrig er blevet brugt gennem evolutionen, men det kan potentielt føre til en funktionel interaktion."

Morcos understregede, hvordan teknologiske fremskridt inden for big-data computing har gjort det muligt for deres projekt at lykkes.

"Dette er nyt i den banebrydende, high-throughput eksperimentelle muligheder og næste generations sekventering har gjort det muligt for os hurtigere at udforske en overflod af muligheder og parametre, " sagde han. "Ved at bruge smarte tilnærmelser, vi kan i det væsentlige løse et problem, der havde været beregningsmæssigt umuligt."

Morcos sagde, at styrken i deres projekt stammer fra, hvad han og Campbell hver især bringer til bordet.

"Dr. Campbells eksperimentelle metoder kan hjælpe os med at prøve et meget stort rum af funktionelle interaktioner, "sagde han." Stadig, dette er bare en brøkdel af den komplette genetiske kartografi. Men når vi kombinerer dette med de statistiske modeller udviklet i mit laboratorium, vi kan udfylde hullerne i denne prøvetagning, og virkelig kvantificere et enormt rum af muligheder."

Campbell talte om den brede vifte af potentielle anvendelser for de data, de har indsamlet.

"Dette giver os mulighed for at skitsere, hvilke partnerskaber der er mest sandsynligt, lære os om, hvordan selektivitet opnås, og forhåbentlig gør det muligt for os at forbedre det, der naturligt har udviklet sig, " han sagde.

For Campbell og Morcos, målet er at designe nye typer af farmakologiske midler, der hindrer uønskede interaktioner, der fører til sygdom eller efterligner de gavnlige.

"Med en forståelse af, hvordan anerkendelse mellem partnere opstår, vi kan lære en hel del om menneskets fysiologi, samt virale og bakterielle genomer og forbindelser, der kan blive forstyrret for at forbedre menneskers sundhed, " sagde Campbell.