Каталогизируя тонкие эволюционные сигнатуры, общие для пар генов у бактерий, команда смогла обнаружить сотни ранее неизвестных взаимодействий белков. Этот метод сейчас применяется к человеческому геному и может дать новое понимание того, как взаимодействуют человеческие белки.
Проект является результатом сотрудничества ученых Школы медицины Вашингтонского университета и Гарвардского университета. Их отчет опубликован в выпуске журнала Science от 11 июля.
"Белковые взаимодействия имеют фундаментальное значение для биологической функции. Примечательно, что теперь их можно предсказать в массовом порядке, используя большие объемы данных геномных последовательностей, которые были получены в последние годы », – сказал старший автор Дэвид Бейкер, профессор биохимии Медицинской школы Вашингтонского университета.
Клетки наполнены белками, многие из которых должны физически взаимодействовать, чтобы функционировать. Это может означать объединение для копирования ДНК или образования длинных волокон, подобных тем, которые встречаются в мышцах.
Однако во многих случаях ученые до сих пор не знают, какие белки взаимодействуют друг с другом. Обнаружение новых пар может быть медленным, трудоемким и дорогостоящим.
В поисках лучшего способа команда из четырех вычислительных биологов изучила явление, называемое коэволюцией, при котором изменения в одном гене связаны с изменениями в другом. Это может указывать на то, что два гена связаны каким-то важным образом.
Например, если один ген мутирует, чтобы произвести белок с измененной формой, второй может развиться, чтобы произвести белок с формой, комплементарной первому, тем самым сохраняя способность двух белков взаимодействовать.
В последние годы исследователи обнаружили доказательства некоторых из этих тонких молекулярных взаимодействий в ДНК организма.
«Коэволюция была полезна для понимания того, как взаимодействуют определенные белки, но теперь мы можем использовать ее как инструмент для открытий», – сказал ведущий автор Цянь Конг, научный сотрудник Медицинской школы UW.
Исследовательская группа сравнила более 4000 генов от E. coli в последовательности ДНК из более чем 40000 геномов других бактерий. Этот большой запас генетической информации позволил исследователям использовать специальную статистическую модель для оценки коэволюции между каждым E. coli ген.
После нескольких раундов анализа было обнаружено, что 1618 пар имеют наиболее убедительные доказательства совместной эволюции. Сравнивая свои результаты с небольшим набором уже охарактеризованных белок-белковых взаимодействий, исследователи достигли значительно более высокой точности, чем предыдущие экспериментальные методы скрининга.
Среди недавно обнаруженных взаимодействий было несколько, которые намекают на новые биологические открытия. Один из них, взаимодействие между белковым токсином и его антитоксином, может помочь объяснить, как предполагают исследователи, почему некоторые E. coli доминируют в своей микробной нише. Другое недавно обнаруженное сочетание предполагает, что белок под названием PstB, который, как известно, играет роль в метаболизме, также может помочь координировать синтез белка и транспорт минералов.
«В биологии редко бывает, чтобы программный инструмент делал предсказания, которые были бы достаточно многообещающими для проверки, но именно это и происходит здесь», – сказал Конг.
Существуют буквально сотни последующих экспериментов, которые можно провести в лабораториях по всему миру."
Команда также изучила геном Mycobacterium tuberculosis, болезнетворной бактерии, отдаленно связанной с E. кишечная палочка. Они с высокой степенью достоверности идентифицировали 911 белок-белковых взаимодействий.
95 процентов из них никогда ранее не описывались. Семьдесят включают белки, которые могут способствовать вирулентности M. туберкулез, сообщают исследователи. Эти результаты могут открыть новые пути для разработки лекарств против смертельного патогена.
«Мы собираемся применить этот инструмент к большему количеству патогенов и к человеческому геному», – говорит Конг. "Наш успех будет зависеть от того, сколько усилий приложат другие ученые, чтобы аннотировать, какие части генома являются генами, а какие – другими."
Конг – научный сотрудник Вашингтонского исследовательского фонда по инновациям. В исследовании использованы ресурсы Национального вычислительного центра энергетических исследований.