Wetenschappers hebben voor het eerst alle gisteiwitten in de celcyclus in kaart gebracht

Wetenschappers hebben voor het eerst alle gisteiwitten in de celcyclus in kaart gebracht

Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Toronto heeft de beweging in kaart gebracht van eiwitten die door het gistgenoom worden gecodeerd tijdens zijn celcyclus. Dit is de eerste keer dat alle eiwitten van een organisme door de celcyclus heen kunnen worden gevolgd, waarvoor een combinatie van deep learning en high-throughput microscopie nodig is.

Het team gebruikte twee convolutionele neurale netwerken, of algoritmen, DeepLoc en CycleNet genaamd, om beelden van miljoenen levende gistcellen te analyseren. Het resultaat was een uitgebreide kaart die identificeerde waar eiwitten zich bevinden en hoe ze zich door de cel bewegen en in overvloed veranderen tijdens elke fase van de celcyclus.

We ontdekten dat eiwitten waarvan de concentratie binnen de cel regelmatig toe- en afneemt, vaak betrokken zijn bij de regulatie van de celcyclus, terwijl eiwitten met een voorspelbare beweging door de cel de biofysische implementatie van de cyclus vergemakkelijken.”

Athanasios Litsios, eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker, Donnelly Center for Cellular and Biomolecular Research, Universiteit van Toronto

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschriftcel.

De celcyclus verwijst naar de fasen die een cel doorloopt voordat hij zich uiteindelijk in individuele cellen deelt. Het is dit proces dat ten grondslag ligt aan de verspreiding van het leven; en gaat door in alle levende wezens.

Op moleculair niveau hangt de celcyclus af van de coördinatie van veel eiwitten die de cel van groei en DNA-replicatie naar celdeling dragen. Ontregeling van eiwitten kan de celcyclus verstoren en tot ziekten zoals kanker leiden.

De onderzoekers merkten op dat ongeveer een kwart van de in kaart gebrachte gisteiwitten regelmatige patronen volgde van verschijnen en verdwijnen of verplaatsen naar specifieke delen van de cel. De meeste eiwitten volgden deze patronen in concentratie of beweging, maar niet allebei.

"We hebben ongeveer 400 eiwitten geïdentificeerd met alleen periodieke lokalisatie tijdens de celcyclus en ongeveer 800 met alleen periodieke concentratie", zegt Litsios. “Dit betekent dat eiwitten op meerdere niveaus worden gereguleerd om ervoor te zorgen dat de celcyclus verloopt zoals geprogrammeerd.”

Het onderzoeksteam gebruikte fluorescentiemicroscopie om ongeveer 4.000 eiwitten in afbeeldingen van gistcellen te volgen om de celcyclusfase te classificeren, evenals de locatie van eiwitten in 22 gecategoriseerde delen van de cel, zoals de kern, het cytoplasma en de mitochondriën. Fase- en eiwitlocatie-identificatie werd geautomatiseerd door het gebruik van convolutionele neurale netwerken, met een nauwkeurigheid van de celcyclusfasevoorspelling van meer dan 93 procent.

“We analyseerden beelden van meer dan 20 miljoen levende gistcellen, die we met behulp van machinaal leren aan verschillende stadia van de celcyclus hebben toegewezen”, zegt Brenda Andrews, hoofdonderzoeker van het onderzoek en universiteitshoogleraar Moleculaire Genetica aan het Donnelly Center en de Temerty Faculteit der Geneeskunde. "Vervolgens hebben we een tweede computationele pijplijn ontwikkeld en toegepast om te bestuderen hoe eiwitten in hun lokalisatie en concentratie veranderen tijdens de celcyclus. Deze studie heeft een unieke dataset opgeleverd die een beeld op genoomschaal biedt van de moleculaire veranderingen die optreden tijdens de celdeling."

“De gistcel is een geweldig model voor de eukaryotische biologie”, zegt Litsios. "Er zijn bepaalde dingen die we kunnen doen met gistcellen, maar niet met andere organismen die eenvoudiger of complexer zijn. We kunnen gistcellen gebruiken om grootschalige processen te observeren, waardoor ze het perfecte organisme zijn om de celcyclus te bestuderen." ;in de hoop een beter begrip te krijgen van de menselijke celcyclus.”

Bronnen: