Οι επιστήμονες χαρτογραφούν όλες τις πρωτεΐνες ζύμης σε όλο τον κυτταρικό κύκλο για πρώτη φορά

Οι επιστήμονες χαρτογραφούν όλες τις πρωτεΐνες ζύμης σε όλο τον κυτταρικό κύκλο για πρώτη φορά

Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο έχει χαρτογραφήσει την κίνηση των πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από το γονιδίωμα του ζυμομύκητα κατά τη διάρκεια του κυτταρικού του κύκλου. Αυτή είναι η πρώτη φορά που όλες οι πρωτεΐνες ενός οργανισμού μπορούν να παρακολουθούνται σε όλο τον κυτταρικό κύκλο, απαιτώντας συνδυασμό βαθιάς μάθησης και μικροσκοπίας υψηλής απόδοσης.

Η ομάδα χρησιμοποίησε δύο συνελικτικά νευρωνικά δίκτυα ή αλγόριθμους, που ονομάζονται DeepLoc και CycleNet, για να αναλύσει εικόνες εκατομμυρίων ζωντανών κυττάρων ζύμης. Το αποτέλεσμα ήταν ένας ολοκληρωμένος χάρτης που προσδιόριζε πού βρίσκονται οι πρωτεΐνες και πώς κινούνται γύρω από το κύτταρο και αλλάζουν σε αφθονία κατά τη διάρκεια κάθε φάσης του κυτταρικού κύκλου.

Βρήκαμε ότι οι πρωτεΐνες των οποίων η συγκέντρωση αυξάνεται και μειώνεται τακτικά μέσα στο κύτταρο τείνουν να εμπλέκονται στη ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου, ενώ οι πρωτεΐνες με προβλέψιμη κίνηση μέσω του κυττάρου τείνουν να διευκολύνουν τη βιοφυσική υλοποίηση του κύκλου.»

Αθανάσιος Λίτσιος, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και μεταδιδακτορικός ερευνητής, Donnelly Center for Cellular and Biomolecular Research, University of Toronto

Η μελέτη δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικόκύτταρο.

Ο κυτταρικός κύκλος αναφέρεται στις φάσεις που περνάει ένα κύτταρο πριν τελικά διαιρεθεί σε μεμονωμένα κύτταρα. Είναι αυτή η διαδικασία που αποτελεί τη βάση της εξάπλωσης της ζωής -? και συνεχίζει σε όλα τα έμβια όντα.

Σε μοριακό επίπεδο, ο κυτταρικός κύκλος εξαρτάται από τον συντονισμό πολλών πρωτεϊνών που μεταφέρουν το κύτταρο από την ανάπτυξη και την αντιγραφή του DNA έως την κυτταρική διαίρεση. Η απορρύθμιση των πρωτεϊνών μπορεί να διαταράξει τον κυτταρικό κύκλο και να οδηγήσει σε ασθένειες όπως ο καρκίνος.

Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι περίπου το ένα τέταρτο των χαρτογραφημένων πρωτεϊνών ζυμομύκητα ακολουθούσε τακτικά μοτίβα εμφάνισης και εξαφάνισης ή μετακίνησης σε συγκεκριμένες περιοχές του κυττάρου. Οι περισσότερες πρωτεΐνες ακολούθησαν αυτά τα μοτίβα είτε σε συγκέντρωση είτε σε κίνηση, αλλά όχι και στα δύο.

«Εντοπίσαμε περίπου 400 πρωτεΐνες με μόνο περιοδικό εντοπισμό κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου και περίπου 800 με μόνο περιοδική συγκέντρωση», είπε ο Λίτσιος. "Αυτό σημαίνει ότι οι πρωτεΐνες ρυθμίζονται σε πολλαπλά επίπεδα για να διασφαλιστεί ότι ο κυτταρικός κύκλος πραγματοποιείται όπως έχει προγραμματιστεί."

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μικροσκόπιο φθορισμού για να παρακολουθήσει περίπου 4.000 πρωτεΐνες σε εικόνες κυττάρων ζυμομύκητα για να ταξινομήσει τη φάση του κυτταρικού κύκλου καθώς και τη θέση των πρωτεϊνών σε 22 κατηγοριοποιημένες περιοχές του κυττάρου, όπως ο πυρήνας, το κυτταρόπλασμα και τα μιτοχόνδρια. Η αναγνώριση της θέσης φάσης και πρωτεΐνης αυτοματοποιήθηκε μέσω της χρήσης συνελικτικών νευρωνικών δικτύων, με ακρίβεια πρόβλεψης φάσης κυτταρικού κύκλου μεγαλύτερη από 93 τοις εκατό.

«Αναλύσαμε εικόνες περισσότερων από 20 εκατομμυρίων ζωντανών κυττάρων ζύμης, τα οποία αντιστοιχίσαμε σε διαφορετικά στάδια κυτταρικού κύκλου χρησιμοποιώντας μηχανική μάθηση», δήλωσε η Brenda Andrews, κύρια ερευνήτρια της μελέτης και πανεπιστημιακή καθηγήτρια Μοριακής Γενετικής στο Donnelly Center and Temerty Faculty of Medicine. "Στη συνέχεια αναπτύξαμε και εφαρμόσαμε μια δεύτερη υπολογιστική γραμμή για να μελετήσουμε πώς οι πρωτεΐνες αλλάζουν στον εντοπισμό και τη συγκέντρωσή τους κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου. Αυτή η μελέτη δημιούργησε ένα μοναδικό σύνολο δεδομένων που παρέχει μια άποψη κλίμακας γονιδιώματος των μοριακών αλλαγών που συμβαίνουν κατά τη διαίρεση των κυττάρων."

«Το κύτταρο ζυμομύκητα είναι ένα εξαιρετικό μοντέλο για την ευκαρυωτική βιολογία», είπε ο Λίτσιος. "Υπάρχουν ορισμένα πράγματα που μπορούμε να κάνουμε με κύτταρα ζυμομύκητα αλλά όχι με άλλους οργανισμούς που είναι είτε απλούστεροι είτε πιο περίπλοκοι. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε κύτταρα ζυμομύκητα για να παρατηρήσουμε διαδικασίες μεγάλης κλίμακας, καθιστώντας τα τον τέλειο οργανισμό για τη μελέτη του κυτταρικού κύκλου." Με την ελπίδα της καλύτερης κατανόησης του ανθρώπινου κυτταρικού κύκλου.»

Πηγές: