Учёные исследуют мощную молекулярную систему сигналов, выходящую за пределы ДНК

Иллюстрация показывает, как посттрансляционные модификации могут использоваться для остановки вируса. Автор: Стефани Кинг | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория

Учёные раскрывают секреты быстродействующей молекулярной сети сигналов, которая сильно влияет на то, как люди и все организмы адаптируются и реагируют на окружающий мир.

В то время как ДНК и гены привлекают всеобщее внимание, то, как эти инструкции воплощаются в жизнь, представляет собой сложный процесс, зависящий от нескольких менее известных молекулярных действий. На каждый фактор окружающей среды — жара, холод, опасность, патогенная угроза, голод — организм полагается на сеть молекулярных сигналов, определяющих, как разыгрывается генетический код.

Тонг Чжан и другие учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США участвуют в исследовательской инициативе Predictive Phenomics Initiative, направленной на понимание и контроль этих процессов. Исследование обещает прорывы в биоэкономике, здоровье человека и других областях.

Большая часть действия происходит через молекулярные события, называемые посттрансляционными модификациями (ПТМ). Это быстрые химические сигналы, отправляемые белкам — молекулярным рабочим лошадкам, которые являются конечным продуктом генетического кода — которые позволяют организму реагировать на условия окружающей среды. Это биологическая версия мгновенного обмена сообщениями, обеспечивающая постоянные корректировки для безопасности и здоровья организма в постоянно меняющемся мире.

Сигналы могут означать разницу между здоровьем и болезнью, или между мощным микробным производством и плохим производством. Чжан изучает их роль в промышленном производстве обычных повседневных продуктов и в том, как мы боремся с вирусами.

Один белок, множество функций

Система наделяет организм исключительной гибкостью, далеко выходящей за рамки того, что предусмотрено его ДНК. Хотя организм в конечном итоге производит один белок из участка ДНК, этот единственный белок может быть модифицирован для выполнения многих различных функций. Крошечное химическое изменение может изменить то, что делает белок, как часто, или когда и где. Это даёт некоторым организмам, таким как люди, огромное количество специализированных молекулярных инструментов — адаптированных белков — в их распоряжении.

«ДНК кодирует всего один белок, — сказал Чжан, — но тело может модифицировать и контролировать его, чтобы он делал много разных вещей. У человека примерно 20 000 генов, которые могут кодировать 20 000 белков, но со многими способами аксессуаризации и модификации этого белка существуют миллионы возможных форм и функций белка. Это даёт телу замечательную гибкость для реагирования на постоянно меняющуюся среду».

Изображение демонстрирует, как один белок может иметь множественные посттрансляционные модификации одновременно. Автор: Ду Нам Ким | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория

Чжан создаёт новые способы «подслушивания» этой сигнальной сети, которая сейчас насчитывает более 600 различных типов модификаций и продолжает расти. Сообщения настолько быстрые и кратковременные, что их было трудно обнаружить и изучить. Чжан разработал новые способы сохранения и измерения этих событий, давая учёным новые инструменты для выхода за пределы цепочки химических оснований, составляющих ДНК, и понимания того, как они реализуются.

Его инструменты включают тщательные лабораторные протоколы, чтобы как можно больше изменений сохранялось для анализа. Использование автоматизированных лабораторных инструментов для ускорения обработки и анализа становится все более распространенным. Он разработал способы измерения более чем одного типа изменений — как фосфорилирования, так и окисления — в ходе одного эксперимента, и он может обнаруживать десятки тысяч модификаций в одном эксперименте.

От дрожжей к вирусам: модификации для биопроизводства и лучшего здоровья

Чжан и его коллеги исследовали это явление в дрожжах. В статье, опубликованной 21 июля в журнале Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, они предоставляют новые возможности для улучшения выхода у вида дрожжей, используемого для производства химических веществ, применяемых в продуктах по уходу за кожей, производстве продуктов питания и биопластиках.

Команда также изучает роль процесса у людей. В недавнем обзоре, опубликованном в журнале Frontiers in Immunology, команда Чжана исследовала роль процесса в том, как организм реагирует на вирусную инфекцию.

«Роль ПТМ в вирусной атаке — это развивающаяся область, — сказал Чжан. — Существуют некоторые противовирусные препараты, которые работают через этот механизм, но о том, как они действительно работают, известно не много. Мы надеемся узнать больше об этих механизмах как о способе выявления новых кандидатов для противовирусных препаратов».