В человеческом мозге обнаружено более 1000 скрытых белков

Фото из открытых источников

Более 1000 микропротеинов головного мозга отсутствовали на белковой карте, а в одном из генов, связанных с болезнью Альцгеймера, именно его крошечная версия и производится клетками. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Aging.

Практически каждая клетка организма работает на основе одного и того же генетического кода, создавая белки из соответствующих ей компонентов. На протяжении десятилетий биологи каталогизировали эти белки. Самые короткие из них в основном оставались незамеченными, потому что их трудно обнаружить и легко списать на шум.

Теперь группа исследователей обнаружила более тысячи таких клеток в лобной коре головного мозга человека, в тканях, предоставленных людьми, страдающими и не страдающими болезнью Альцгеймера. Белки такой длины имеют название: микропротеины. В одном гене именно микропротеин вырабатывается тканями мозга, в то время как полноразмерный белок, описанный в учебниках, практически не встречается.

«Мы до сих пор не до конца понимаем молекулярные механизмы здорового старения, и это особенно верно в отношении микропротеинов, которые десятилетиями оставались без должного внимания», — сказал профессор Алан Сагателиан из Института Салка.

Белок — это цепочка аминокислот, свернутая в определенную форму, и большинство белков, описанных в учебниках по биологии, состоят из нескольких сотен звеньев. Микропротеин состоит из 150 звеньев или меньше. Обнаруженные здесь белки имели среднюю длину 58 звеньев.

Причина, по которой их пропустили, — длина цепи. Стандартный способ идентификации белка — разрезать его на кусочки и взвесить, а короткая цепь оставляет очень мало кусочков для взвешивания.

Другая проблема заключается в местоположении. Большинство этих коротких участков кода находятся внутри гена, который уже производит более крупный белок, или непосредственно рядом с ним, поэтому при обычном секвенировании их трудно различить.

Примерно каждая десятая запись в основной базе данных белков содержит менее 150 аминокислот, и исследователи заявили, что реальная доля может быть выше. Короткие белки привлекли внимание исследователей старения в других отделах организма.

Для этого проекта образцы мозговой ткани не собирались. Они были получены в ходе двух долгосрочных исследований старения в Центре по изучению болезни Альцгеймера при Университете Раша, в рамках которых пожилые люди соглашаются на ежегодное тестирование и на пожертвование своего мозга.

Масс-спектрометрический анализ уже был проведен на более чем 600 образцах лобной коры головного мозга. В других атласах мозга отображены клетки и гены. В этом же отображены белки.

Команда Салка добавила возможность поиска в старых данных информации, которой никогда не было ни в одном списке. Они создали специальную базу данных, содержащую все короткие фрагменты кода, которые мог воспроизвести мозг, а затем сравнили с ней имеющиеся измерения.

Инструмент машинного обучения ShortStop из лаборатории Сагателиана отсортировал кандидатов, которые выглядят как настоящие микропротеины, от тех, которые таковыми не являются. Затем в дело вступил фильтр, который имел значение. Вторая программа предсказывала, как должны выглядеть фрагменты каждого кандидата, и команда сравнивала эти предсказания с измерениями.

Из примерно 3000 кандидатов 1067 соответствовали критериям достаточно точно, чтобы получить высокую оценку. 

«Нам удалось создать совершенно новую базу данных, которую исследователи могут загрузить и использовать для более точного понимания функций генов», — сказал соавтор исследования Брендан Миллер.

Большинство новых микропротеинов образуются из гена, который перекрывает ген, уже известный тем, что кодирует нечто большее, что поднимает неудобный вопрос. Когда клетка считывает этот участок, какой из двух белков она синтезирует?

В гене MKKS ответ не тот, что описан в учебниках. Полноразмерная версия гена состоит из 570 аминокислот и известна своей ролью в редком наследственном заболевании. В образцах лобной коры не было обнаружено ни одного фрагмента этого белка, в то время как микропротеин, состоящий из 63 аминокислот и кодируемый в том же участке, производил более 1000 таких фрагментов.

Публичный архив, содержащий 66 700 опубликованных результатов измерений, дал команде тот же однобокий результат: 14 фрагментов, отнесенных к длинному белку, и тысячи — к короткому. Таким образом, в этом гене, в этой ткани, аннотированный белок практически не обнаруживается.

У доноров, страдающих одновременно болезнью Альцгеймера и деменцией, содержание микропротеина было ниже, чем у доноров, не имеющих ни того, ни другого. Почему некоторые мозги сопротивляются этому снижению — это отдельный вопрос, и данный атлас на него не отвечает.

Иммунные клетки головного мозга, называемые микроглией, патрулируют ткани и удаляют мусор, и их работа часто нарушается с возрастом и при болезни Альцгеймера. Гены, которые появлялись и исчезали вместе с микропротеином, выполняли преимущественно одну функцию: управление структурами, которые обеспечивают клетку большей частью энергии. Биологи называют их митохондриями .

Команда провела тот же тест на длинном белке и не обнаружила никакой закономерности. Поэтому они перешли к культивированию микроглии человека в чашке Петри. Микропротеин присутствовал. Длинный белок, опять же, отсутствовал, и меченые копии микропротеина скопились по краям митохондрий.

Затем они использовали CRISPR для вырезания кода микропротеина, оставив при этом код длинного белка нетронутым — редактирование, которое имеет смысл только тогда, когда известно, что микропротеин присутствует. Две независимо отредактированные линии клеток потребляли меньше кислорода, чем контрольные клетки, как в состоянии покоя, так и при выработке энергии, а также при достижении максимального уровня потребления.

Исследователи могут пропустить белок, который явно присутствует. Более трети коротких белков, уже имеющихся в тщательно составленной базе данных, остались незамеченными в этих данных, несмотря на явные доказательства того, что мозг их транскрибирует и транслирует.

База данных для поиска была создана на основе 12 предоставленных транскриптомов, поэтому микропротеин, полученный из транскрипта, которого не было в этих 12 образцах, изначально в ней отсутствовал. Каждый образец в атласе был получен из одной области мозга, а работа с CRISPR проводилась на линии микроглиальных клеток, выращенных в чашке Петри.

Неизвестно, как часто реальным результатом деятельности гена оказывается его микропротеин. Также неизвестно, работают ли другие гены, связанные с заболеваниями, аналогичным образом. Доноры, создавшие этот атлас, предоставили данные и по другим областям мозга, и тот же подход будет работать и с ними.