Wie sich Proteine ​​zwischen den Arten unterscheiden

Um besser zu verstehen, was die biologische Vielfalt auf der Erde antreibt, haben sich Wissenschaftler in der Vergangenheit mit genetischen Unterschieden zwischen Arten befasst. Aber das gibt nur einen Teil des Bildes wieder. Die Merkmale einer bestimmten Art sind nicht nur das Ergebnis ihrer Gene, sondern auch der Proteine, für die diese Gene kodieren. Das Verständnis der Unterschiede zwischen den Proteomen der Arten – oder aller Proteine, die exprimiert werden können – ist daher genauso wichtig wie das Verständnis der Unterschiede zwischen Genomen.

In einer neuen Studie haben Yale-Forscher die Proteome von Hautzellen von 11 Säugetieren verglichen, was Wissenschaftlern helfen wird, die molekularen Treiber der Biodiversität und die Entwicklung dieser Faktoren im Laufe der Zeit zu verstehen.

Sie fanden heraus, dass viele Proteine ​​zwar sowohl zwischen Arten als auch innerhalb der Arten ähnlich variabel sind, einige jedoch zwischen den Arten unterschiedlicher sind, was Hinweise darauf gibt, welche Proteine ​​​​in der Evolution von Säugetieren wichtiger sein könnten. Die Arbeit kann den Forschern auch helfen zu verstehen, warum einige Arten resistenter gegen Krebs sind.

Ihre Ergebnisse wurden am 9. September veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

„Um die biologische Vielfalt zu verstehen und zu wissen, wie sich die DNA zwischen den Arten unterscheidet, möchten Sie vielleicht auch wissen, wie sich Arten unterschiedlich verhalten, entwickeln und aussehen“, sagte Günter Wagner, emeritierter Alison-Richard-Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie .

Und diese Attribute – wie eine Art aussieht, sich verhält und entwickelt – stehen vermutlich in engerem Zusammenhang mit dem Proteingehalt als mit der DNA, erklärte Yansheng Liu, Assistenzprofessor für Pharmakologie an der Yale School of Medicine.

Der Vergleich von Proteinmengen zwischen den Arten war jedoch schwierig, da die Technologie für groß angelegte Analysen noch nicht existierte. Aber Liu hat eine Methode namens datenunabhängige Akquisitions-Massenspektrometrie angewendet, die es Forschern jetzt ermöglicht, diese Art von Arbeit durchzuführen.

„Es ist ein konzeptioneller und technischer Durchbruch, der es uns ermöglicht, auf dieser höheren, funktional relevanteren Ebene zu arbeiten“, sagte Wagner.

Liu ist Mitglied des Yale Cancer Biology Institute und Wagner ist Mitglied des Systems Biology Institute, beide befinden sich auf dem West Campus von Yale. Dort begann ihre Zusammenarbeit während eines Symposiums zur Krebssystembiologie, an dem sie beide teilnahmen.

Für die Studie quantifizierten die Forscher alle Proteine, die in Hautzellen von 11 Säugetierarten exprimiert werden: Kaninchen, Ratten, Affen, Menschen, Schafe, Kühe, Schweine, Hunde, Katzen, Pferde und Opossums.

Sie fanden heraus, dass die Analyse Informationen lieferte, die mit anderen Techniken nicht gewonnen werden konnten. Während frühere Forschungen beispielsweise Unterschiede in der mRNA untersucht haben – dem genetischen Material, das zur Herstellung von Proteinen verwendet wird – fanden sie heraus, dass die Messung von Proteinen zusätzliche Informationen lieferte, die durch die Analyse von mRNA allein nicht erfasst werden konnten, da mRNA nur ein indirektes Maß für die Proteinhäufigkeit ist .

Ein mRNA-Strang trägt den Code für die Bildung eines Proteins. Und während einzelne Proteine ​​eine bestimmte Funktion haben können, können Proteine ​​auch miteinander interagieren und als Gruppen agieren, erklärte Liu. Nur ein Blick auf die mRNA liefert diese Informationen nicht.

„Wir haben festgestellt, dass insbesondere bei bestimmten Proteinklassen die Proteinverwandtschaft zur mRNA sehr gering ist“, sagt Liu. „Das bedeutet, dass das mRNA-Profil allein irreführend wäre.“

Das Team untersuchte dann die Proteinvariation sowohl zwischen den Arten als auch zwischen den Individuen derselben Art und stellte fest, dass bei den meisten Proteinen die Werte, die zwischen den Individuen unterschiedlicher waren, auch zwischen den Arten unterschiedlicher waren. Aber es gab einige Proteine, die nicht zu diesem Trend passten. Zum Beispiel waren Proteine, die mit der Zellteilung und dem RNA-Stoffwechsel in Verbindung stehen, zwischen den Arten unterschiedlicher als zwischen Individuen einer Art (in diesem Fall Menschen). Dies deutet darauf hin, dass diese Funktionen eine besonders wichtige Rolle in der Evolution von Säugetieren spielen, sagten die Forscher.

„Von einem evolutionären Standpunkt aus gesehen sind Unterschiede zwischen Arten und Individuen sehr interessant“, sagte Wagner. „Der Vergleich der beiden gibt uns eine Vorstellung davon, wie viel Variation innerhalb einer Art toleriert wird, und wir können diese Informationen verwenden, um die Fähigkeit zur Evolution vorherzusagen.“

Schließlich verglichen die Forscher Proteinentfernungssysteme über Arten hinweg. Es gibt zwei Hauptsysteme, die für die Entfernung von Proteinen in Zellen verantwortlich sind, und sie fanden heraus, dass eines bei allen Arten ähnlich war, während das andere bei den verschiedenen Säugetieren ziemliche Unterschiede aufwies.

Dieser Proteinumsatz bestimmt, wie schnell eine Zelle ihren Zustand ändern kann, fügte Wagner hinzu. „Wenn ein neues Signal hereinkommt, muss die Zelle die Proteine, die für ihren vorherigen Zustand notwendig waren, auswerfen und neue erzeugen“, sagte er.

Und wie schnell eine Zelle ihren Zustand ändert, könnte für Krebs relevant sein.

„Gesunde Zellen können durch benachbarte Krebszellen beeinflusst werden“, sagt Wagner. „Es wird wichtig sein zu verstehen, ob die Proteinumsatzraten damit zusammenhängen, wie reaktiv Zellen auf die Einflüsse von Tumorzellen reagieren. Vielleicht haben Arten, die resistenter gegen Krebs sind, wie Huftiere wie Kühe und Schweine, Zellen, die dazu weniger in der Lage sind Zustand ändern und weniger anfällig für die Signale von Krebszellen sind.“

Und das Verständnis der Krebsanfälligkeit ist nur eine mögliche Anwendung dieser Arbeit, sagten die Forscher. Zum Beispiel können sie beginnen, Proteinunterschiede mit anderen Merkmalen zu korrelieren, die sich zwischen den Arten unterscheiden, sagt Liu.

Proteine ​​unterliegen chemischen Modifikationen, die auftreten, wenn andere Moleküle an ein Protein binden und es aktivieren oder deaktivieren. Und diese Modifikationen tragen zu Merkmalen bei, die sich zwischen und innerhalb der Arten unterscheiden, da sie eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung der Proteinfunktion spielen. Die Forscher bewerteten eine Art der Modifikation in dieser Studie, die Phosphorylierung, und stellten fest, dass Variationen im Phosphorylierungsgrad größtenteils nicht mit Variationen in der Proteinhäufigkeit zusammenhängen, was eine weitere Ebene des Verständnisses darüber liefert, was die Biodiversität antreibt. Die Forscher werden in zukünftigen Arbeiten weitere Modifikationen bewerten.

„Es wird ein vollständigeres Bild liefern“, sagte Liu und fügte hinzu, dass biologische Unterschiede zwischen Arten und Individuen die biologische Vielfalt auf der Erde prägen. „Die Messung der Unterschiede sowohl bei Proteinen als auch bei modifizierten Proteinen zwischen den Arten wird unser Verständnis der Biodiversität auf molekularer Ebene verbessern.“