Nya matematiska verktyg som avslöjar hur snabbt cellproteiner bryts ner är redo att avslöja djupare insikter om hur vi åldras, enligt en nyligen publicerad artikel som är medförfattare av en forskare från Mississippi State och hans kollegor från Harvard Medical School och University of Cambridge.
Galen Collins, biträdande professor vid MSU:s institution för biokemi, molekylärbiologi, entomologi och växtpatologi, var medförfattare till artikeln som publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences i april.
"Vi förstår redan hur snabbt proteiner tillverkas, vilket kan hända på några minuter", säger Collins, som också är vetenskapsman vid Mississippi Agricultural and Forestry Experiment Station. "Tills nu har vi haft en mycket dålig förståelse för hur lång tid det tar att gå sönder."
Uppsatsen i tillämpad matematik, "Maximum entropy determination of mammalian proteome dynamics," presenterar de nya verktygen som kvantifierar nedbrytningshastigheten för cellproteiner - hur snabbt de bryts ner - och hjälper oss att förstå hur celler växer och dör och hur vi åldras. Proteiner – komplexa molekyler gjorda av olika kombinationer av aminosyror – bär huvuddelen av arbetsbelastningen i en cell, tillhandahåller dess struktur, svarar på meddelanden utanför cellen och tar bort avfall.
Resultaten visade att inte alla proteiner bryts ned i samma takt utan istället faller i en av tre kategorier, som bryts ner under loppet av minuter, timmar eller dagar. Medan tidigare forskning har undersökt cellproteinnedbrytning, var denna studie den första som matematiskt kvantifierade nedbrytningshastigheten för alla cellproteinmolekyler, med hjälp av en teknik som kallas maximal entropi.
"För vissa typer av vetenskapliga frågor kan experiment ofta avslöja oändligt många möjliga svar, men de är inte alla lika rimliga", säger huvudförfattaren Alexander Dear, forskare i tillämpad matematik vid Harvard University.
"Principen för maximal entropi är en matematisk lag som visar oss hur man exakt beräknar rimligheten för varje svar - dess "entropi" - så att vi kan välja den som är mest trolig."
"Den här typen av matematik är ungefär som en kamera som zoomar in på din registreringsskylt på långt håll och räknar ut vad siffrorna ska vara," sa Collins. "Maximal entropi ger oss en tydlig och exakt bild av hur proteinnedbrytning sker i celler."
Dessutom använde teamet dessa verktyg för att studera vissa specifika konsekvenser av proteinnedbrytning för människor och djur. För det första undersökte de hur dessa hastigheter förändras när musklerna utvecklas och anpassar sig till svält.
"Vi fann att svält hade störst inverkan på den mellanliggande gruppen av proteiner i muskelceller, som har en halveringstid på några timmar, vilket gör att nedbrytningen skiftar och accelererar," sa Collins. "Denna upptäckt kan få konsekvenser för cancerpatienter som upplever kakexi eller muskelförtvining på grund av sjukdomen och dess behandlingar."
De undersökte också hur en förändring i nedbrytningen av vissa cellproteiner bidrar till neurodegenerativ sjukdom.
"Dessa sjukdomar uppstår när avfallsproteiner, som vanligtvis bryts ner snabbt, lever längre än de borde," sa Collins. "Hjärnan blir som en tonårings sovrum, samlar skräp, och när du inte städar upp den blir den obeboelig."
Dear bekräftade att studiens värde ligger inte bara i vad den avslöjade om cellproteindegeneration, utan också i att ge forskare en ny metod för att undersöka cellaktivitet med precision.
"Vårt arbete ger en kraftfull ny experimentell metod för att kvantifiera proteinmetabolism i celler," sade han. "Dess enkelhet och snabbhet gör den särskilt väl lämpad för att studera metabola förändringar."
Mer information: Alexander J. Dear et al, Maximal entropy bestämning av däggdjursproteomdynamik, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2313107121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Mississippi State University
