Platformă avansată pentru monitorizarea rețelelor de comunicare celulară a proteinelor
Organele corpului sunt într-o comunicare constantă. Țesutul adipos îi transmite ficatului când să stocheze sau să elibereze energie, sistemul imunitar semnalează inflamația localizată, iar mii de proteine transportă aceste mesaje către organele din întregul organism. Deși cercetătorii au știut de mult timp că aceste conversații există, ei s-au confruntat cu dificultăți în a identifica exact care celule transmit fiecare mesaj.
Recent, cercetătorii au găsit o metodă de a „asculta” aceste comunicări. Prin rafinarea unei tehnologii existente de etichetare a proteinelor, numită „etichetare prin proximitate”, și aplicând-o pe șoareci modificați genetic, echipa a dezvoltat o platformă capabilă să urmărească proteinele înapoi la celulele lor de origine și să le monitorizeze pe măsură ce sunt fabricate și pliate în reticulul endoplasmatic (RE). Acest lucru le-a permis să creeze cea mai detaliată hartă de până acum a modului în care comunică celulele adipoase și hepatice, precum și modul în care aceste rețele sunt reorganizate în timpul inflamației, postului și obezității. Prin corelarea descoperirilor cu datele din UK Biobank, cercetătorii au legat 65 dintre aceste semnale de condiții umane, inclusiv diabetul de tip 2 și bolile cardiovasculare.
Contribuția cea mai importantă a studiului, notează cercetătorii, nu este descoperirea unei singure proteine mesager, ci crearea unui nou cadru puternic pentru studierea modului în care comunică organele, deschizând calea pentru descoperirea unor noi căi biologice și identificarea semnalelor care ar putea servi ca biomarkeri sau ținte terapeutice pentru diverse boli.
Platforma este extrem de aplicabilă. Poate fi utilizată pe diferite țesuturi și cu diferiți factori genetici – biologii din orice domeniu pot folosi această abordare pentru a studia comunicarea între celule.
O problemă majoră în a „asculta” comunicarea între organe este că cercetătorii au reușit să audă semnificativ doar o parte a conversației. Fluxul sanguin este plin de mesageri proteici care transportă instrucțiuni între țesuturi, iar cercetătorii pot adesea să detecteze semnalele. Totuși, identificarea exactă a celulelor care au trimis fiecare mesaj s-a dovedit a fi o provocare.
Unii cercetători au încercat să măsoare ARN-ul din interiorul celulelor ca un substitut pentru proteinele pe care le produc; alții au studiat celule izolate în laborator sau au folosit metode chimice pentru a eticheta proteinele înainte de a intra în circulație. Totuși, nivelurile de ARN nu prezic adesea care proteine o celulă va secreta în cele din urmă, tehnicile de etichetare nu reușesc adesea să detecteze moleculele de semnalizare mai puțin abundente, iar celulele cultivate nu pot reproduce complet fiziologia organismelor vii. „O limitare majoră în domeniu a fost modul de a descoperi aceste proteine in vivo”, spune Paul Cohen.
Colaborarea care a depășit această limitare a început dintr-o frustrare comună. Ken H. Loh, un fost postdoc la Rockefeller, a fost interesat să studieze comunicarea dintre adipocite și nervii din țesutul adipos. A creat un model de șoarece modificat genetic care etichetează în mod promiscuu proteinele pe măsură ce acestea trec prin reticulul endoplasmatic. Aceasta avea potențialul de a permite cercetătorilor să urmărească proteinele secrete găsite în fluxul sanguin înapoi la celulele specifice care le-au produs. Loh și Friedman au împărtășit această abordare cu Cohen și Vinogradova, catalizând colaborarea. Însă fiecare laborator a întâmpinat aceleași obstacole tehnice: s-au chinuit să îmbunătățească proteinele etichetate și să prevină pierderea semnalelor rare în datele de spectrometrie de masă. Șoarecii își făceau treaba, însă provocarea consta în extragerea și detectarea proteinelor etichetate cu suficientă sensibilitate pentru a fi utile. „Ne-am dat seama că, unind forțele, am putea crea o poveste mai impactantă împreună”, afirmă Cohen.
Combinând expertiza, grupul lui Loh și Cohen a contribuit cu modele fiziologice de post, inflamație și obezitate, în timp ce laboratorul lui Vinogradova a rafinat fluxurile de procesare a țesuturilor, proteomica și pipeline-urile computaționale necesare pentru a izola și identifica proteinele etichetate. Împreună, echipa a îmbunătățit modul în care platforma recuperează proteinele din țesuturi și sânge și a redus valorile lipsă în datele de spectrometrie de masă. Rezultatul a fost o platformă mult mai sensibilă, capabilă să detecteze moleculele de semnalizare de mică abundență în circulație care fuseseră ratate în studiile anterioare, inclusiv niveluri foarte scăzute ale hormonului derivat din grăsime, leptina.
„Fără optimizare, platforma identifica doar cele mai abundente proteine, care în general sunt lucrurile pe care oamenii deja le cunosc”, afirmă Cohen. „Numai prin rafinarea tehnicii am reușit să ajungem mai adânc în zonele necunoscute ale biologiei. Nu este vorba doar de a avea tehnologia, ci de a o aplica cu rigurozitate și bine, ceea ce permite aceste tipuri de descoperiri.”
Apoi, echipa a pus în aplicare platforma optimizată în celulele adipoase și hepatice, urmărind modul în care aceste țesuturi au răspuns la post, inflamație și obezitate. Pentru a captura progresia bolii metabolice, cercetătorii au comparat rețelele de comunicare proteică ale grăsimii viscerale din jurul organelor interne și grăsimii subcutanate de sub piele, atât în stadiile timpurii, cât și avansate ale obezității, demonstrând, de asemenea, aplicabilitatea mai largă a platformei în imunologie, prin cartografierea cu succes a producției de proteine în limfocitele B la baza sa. Au ales să studieze celulele adipoase, hepatice și imune pentru că aveau nevoie de un teren de testare bine înțeles pentru a valida platforma nou optimizată. În plus, aceste alegeri reflectau interesele ambelor laboratoare: Cohen studiază modul în care organele, în special țesutul adipos, comunică pentru a reglementa metabolismul întregului organism; Vinogradova utilizează tehnologii proteomice chimice pentru a studia funcția proteinelor imune.
„Țesutul adipos este un nod umoral în reglarea metabolică, iar repertoriul său secretor se extinde cu siguranță dincolo de factorii circulanți cunoscuți, cum ar fi leptina și adipsina”, afirmă Kaja Plucińska. „Instrumentul pe care l-am dezvoltat ne permite să urmărim și să cuantificăm cu precizie noi adipokine, de mică abundență, care ar putea modifica boala și să caracterizăm secretomul celulelor endocrine mai puțin studiate, cum ar fi adipocitele brune, care ne entuziasmează foarte mult.”
Pe lângă catalogarea proteinelor eliberate în fluxul sanguin, echipa a cartografiat proteinele din interiorul RE, unde proteinele sunt fabricate și pliate, oferind o viziune fără precedent asupra atât a mesajelor trimise, cât și a mecanismului care le produce. „Oamenii nu s-au concentrat pe acest aspect, dar este important atât pentru sănătate, cât și pentru boală”, afirmă Vinograd
