Immagine: cellule di lievito che esprimono proteine con tag fluorescenti verdi e rossi che le rendono visibili.
È ufficiale: ci sono circa 42 milioni di molecole proteiche in una semplice cellula, secondo un team di ricercatori guidati da Grant Brown, un Professore di biochimica presso il Donnelly Center for Cellular and Biomolecular Research dell’Università di Toronto. Analizzando i dati di quasi due dozzine di ampi studi sull’abbondanza proteica nelle cellule di lievito, il team è stato in grado di produrre per la prima volta, stime affidabili del numero di molecole proteiche per ciascuna cellula. Lo studio è stato pubblicato questa settimana sulla rivista Cell Systems.
Il lavoro è stato svolto in collaborazione con Anastasia Baryshnikova, della UT e ora Principal Investigator di Calico, una società di biotecnologia californiana che si concentra sull’invecchiamento.
Le proteine formano le nostre cellule e svolgono in esse la maggior parte del lavoro. In questo modo, danno vita al codice genetico perché le ricette per la costruzione di proteine sono memorizzate nel codice del DNA dei geni.
( Vedi anche: Nella pista da ballo biologica le proteine danzano per cercare un possibile partner).
Spiegando il lavoro, Brown ha detto che dato che “la cellula è l’unità funzionale della biologia ed è solo una naturale curiosità voler sapere cosa contiene e quanto di ogni cosa”.
Ma oltre alla curiosità, c’è un’altra ragione per cui gli scienziati vorrebbero raccogliere dati specifici sulle proteine. Molte malattie sono causate dall’avere poco o troppo di una certa proteina. Più gli scienziati sanno come viene controllata l’abbondanza di proteine, meglio saranno in grado di risolvere problemi a monte.
Sebbene i ricercatori abbiano studiato l’abbondanza di proteine per anni, i risultati sono stati riportati in unità arbitrarie, seminando confusione sul campo e rendendo difficile il confronto dei dati tra diversi laboratori.
Molti gruppi, ad esempio, hanno stimato i livelli di proteine attaccando un tag fluorescente su molecole proteiche per determinare la loro abbondanza in base a “quanto” le cellule si illuminano. Ma le inevitabili differenze nella strumentazione hanno fatto sì che diversi laboratori registrassero diversi livelli di luminosità emessi dalle cellule. Altri laboratori hanno misurato i livelli di proteine usando approcci completamente diversi.
“È stato difficile determinare quante proteine ci sono nella cellula perché i dati sono stati riportati su scale drasticamente differenti”, ha detto Brandon Ho, del laboratorio Brown che ha svolto gran parte del lavoro.
Per convertire misure arbitrarie nel numero di molecole per cellula, Ho si è rivolto al lievito di birra, un microbo a cellula singola facile da studiare che offre una finestra su come funziona una cellula di base. I lieviti sono anche l’unico organismo per il quale sono disponibili dati sufficienti per calcolare il numero di molecole per ciascuna delle 6.000 proteine codificate dal genoma del lievito grazie a 21 studi separati che misuravano l’abbondanza di tutte le sue proteine
. Non esistono dataset di questo tipo per le cellule umane in cui ogni tipo di cellula contiene solo un sottoinsieme di proteine codificate dai 20.000 geni umani.
( Vedi anche: Una ricerca ridefinisce il ruolo delle proteine nello sviluppo delle cellule sensoriali spinali).
La ricchezza di dati sui lieviti esistenti ha fatto sì che Ho potesse mettere tutto insieme, confrontarlo e convertire le vaghe misure dell’abbondanza di proteine in “qualcosa che ha senso, in altre parole, molecole per cellula”, ha detto Brown.
L’analisi di Ho rivela per la prima volta quante molecole di ciascuna proteina ci sono nella cellula, con un numero totale di molecole stimato attorno ai 42 milioni. La maggior parte delle proteine esiste in un intervallo ristretto – tra 1000 e 10.000 molecole. Alcune sono eccezionalmente abbondanti con più di mezzo milione di copie, mentre altre esistono in meno di 10 molecole in una cellula.
Analizzando i dati, i ricercatori sono stati in grado di raccogliere informazioni sui meccanismi mediante i quali le cellule controllano l’abbondanza di proteine distinte, aprendo la strada a studi simili in cellule umane che potrebbero aiutare a rivelare le radici molecolari della malattia. I ricercatori hanno anche dimostrato che l’offerta di una proteina è correlata al suo ruolo nella cellula, il che significa che è possibile utilizzare i dati sull’abbondanza, per prevedere qual’è il ruolo delle proteine.
Infine, in una scoperta che rallegrerà i biologi, Ho ha mostrato che la pratica comune di ricamare etichette incandescenti sulle proteine ha scarso effetto sulla loro abbondanza. Mentre l’approccio ha rivoluzionato lo studio della biologia delle proteine e collegato i suoi scopritori Osamu Shimomura, Martin Chalfie e Roger Tsien il premio Nobel per la chimica nel 2008, ha anche alimentato preoccupazioni sul fatto che la codifica potrebbe influenzare la durata in vita delle proteine, il che potrebbe incrinare i dati.
“Questo studio sarà di grande valore per l’intera comunità dei lieviti e oltre”, ha detto Robert Nash, biocuratore senior del database dei genomi di Saccharomyces che renderà i dati disponibili ai ricercatori di tutto il mondo. Ha anche aggiunto che presentando l’abbondanza di proteine ”in un formato comune e intuitivo”, il laboratorio Brown ha fornito ad altri ricercatori l’opportunità di riesaminare questi dati e quindi facilitare il confronto studio-studio e la generazione di ipotesi”.
Fonte: Cell System
