Flercelliga organismer, som djur och växter, har komplexa celler med olika funktioner. Denna komplexitet uppstår från behovet för celler att producera distinkta proteiner som interagerar med varandra. Denna interaktion är avgörande för att celler ska kunna utföra sina specifika uppgifter och bilda komplexa molekylära maskineri.
Men vår nuvarande förståelse av sådana protein-protein-interaktioner saknar ofta cellulära sammanhang eftersom de vanligtvis studerades i ett in vitro-system eller i celler isolerade från deras vävnadsmiljö. Effektiva metoder för att undersöka protein-protein-interaktioner på ett vävnadsspecifikt sätt saknas till stor del.
För att överbrygga denna tekniska klyfta har ett samarbetande forskarteam från University of Hong Kong (HKU), ledd av professor Xiang David Li från Institutionen för kemi och professor Chaogu Zheng från School of Biological Sciences, båda från Naturvetenskapliga fakulteten, tillsammans med Dr. Xiucong Bao från School of Biomedical Sciences, Li Ka Shing Faculty of Medicine, utvecklade nyligen ett nytt kemiskt biologiskt tillvägagångssätt.
Teamet märkte proteiner från specifika celler med en bifunktionell aminosyrasond som gör att de märkta proteinerna kan isoleras och fångar protein-proteininteraktioner genom fototvärbindning.
Denna nya metod, Methionine Analog-based Cell-Specific Proteomics and Interactomics (MACSPI), har gjort det möjligt för teamet att identifiera många nya vävnadsspecifika proteiner och proteininteraktioner, vilket hjälper oss att bättre förstå hur celler fungerar i levande organismer och studera olika biologiska problem, såsom organutveckling och sjukdomspatogenes.
Verket publicerades nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Teamet designade och syntetiserade en onaturlig aminosyra (foto-ANA) som strukturellt liknar metionin, den naturligt förekommande aminosyran, men med ytterligare två komponenter.
En komponent är en alkyngrupp, som kan användas som ett kemiskt handtag för de märkta proteinerna som ska extraheras och renas. Den andra är en diaziringrupp, som kan aktiveras av ljus för att skapa stabila kovalenta kopplingar mellan de märkta proteinerna och alla molekyler de interagerar med.
Därefter konstruerade teamet ett enzym som heter MetRS för att skapa en variant som kan känna igen och införliva den onaturliga aminosyran i proteiner när de byggs. Genom att kontrollera uttrycket av detta konstruerade enzym i specifika vävnader märks endast proteiner från vävnaden av intresse med kemisk sond. Dessutom, med ljusinducerad tvärbindning, kan proteinkomplex från specifika vävnader fångas in och isoleras.
Som ett proof-of-concept använde teamet MACSPI-metoden för att profilera proteiner från muskelceller respektive neuroner i en modellorganism som heter C. elegans och hittade många nya vävnadsspecifika proteiner.
Teamet visade också metodens användbarhet för att fånga vävnadsspecifik protein-protein-interaktion genom att identifiera vävnadsspecifika interaktörer av ett allmänt uttryckt protein, såsom den molekylära chaperonen som kallas HSP90. Det visade sig att HSP90 binder till olika uppsättningar av proteiner för att reglera olika biologiska processer i muskler och neuroner.
"Denna studie är ett utmärkt exempel på hur innovativa kemiska märkningsmetoder kan hjälpa till att lösa svåra biologiska problem", säger professor Xiang David Li.
"Att förstå interaktion mellan protein och protein vid cellupplösningen är ofta avgörande för att dechiffrera den molekylära mekanismen för en patologisk process. Till exempel undersöker vi för närvarande funktionerna hos de neuronala HSP90-interaktörerna vi identifierat; vissa verkar vara involverade i neurodegeneration i en Parkinsons sjukdom sjukdomsmodell", sa professor Chaogu Zheng.
Teamet föreställer sig att MACSPI-metoden kan användas i många flercelliga organismer för att profilera proteomer och interaktomer med rumslig och tidsmässig specificitet, vilket kan underlätta ett brett spektrum av biologisk och biomedicinsk forskning.
Mer information: Siyue Huang et al, MACSPI möjliggör vävnadsselektiva proteomiska och interaktomiska analyser i flercelliga organismer, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2319060121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Hong Kong
