Биологи впервые подсчитали, сколько молекул белков содержит одна клетка

В наших клетках сдержится масса белков, и все они выполняют важные функции – от формирования генетического кода до контроля за многими жизненно важными процессами. Изучение этих белков, их разнообразия и работы играет большую роль в понимании человеческого организма и борьбе с различными болезнями.

Не все белки сегодня хорошо изучены. Более того, учёным даже не было известно, сколько молекул белков содержится в одной клетке (а их число варьируется в зависимости от строения белка). Но теперь ответ найден.

Канадские исследователи из Университета Торонто совместно с американскими коллегами выяснили, что одна клетка содержит около 42 миллионов белковых молекул.

Руководитель работы профессор биохимии Грант Браун (Grant Brown) поясняет, что его команда проанализировала данные двух десятков крупных исследований по содержанию белков в одноклеточных организмах – дрожжах.

Авторы отмечают, что достоверные оценки количества молекул для каждого белка получены впервые. А учитывая, что клетка является функциональной единицей в биологии, узнать, "чего и сколько" в ней содержится как минимум любопытно и как максимум чрезвычайно полезно, добавляет Браун.

Кстати, о пользе. Команда отмечает, что многие заболевания могут быть вызваны совсем небольшим увеличением того или иного белка. Не зная точную норму, количество белков сложно контролировать, и тогда возрастает шанс не заметить опасные симптомы. Но при наличии точных данных биологи и медики будут иметь стопроцентные маркеры определённых заболеваний.

Конечно, это не первое исследование такого рода: белки в составе клеток изучаются много лет, однако все сведения были крайне беспорядочными и отличались в разных работах. Такой разлад происходит из-за разных способов оценки, поясняют специалисты.

К примеру, многие учёные определяют уровень белка по флуоресцентным меткам: те прилипают к молекулам и, подсвечивая белок, выделяют его из общей массы. Но в разных лабораториях для этого используются совершенно различные инструменты, и каждый регистрирует "уровни яркости" отмеченных белков по-своему. Отсюда и нестыковки в результатах.

Объединить и упорядочить данные авторы решили на примере дрожжей Saccharomyces cerevisiae, больше известных как пекарские дрожжи. Это вид одноклеточных грибков: имея организм из одной клетки, проще понять, как она устроена.

Кроме того, дрожжи – это единственные организмы, для которых уже составлена полная картина всех белков, кодируемых шестью тысячами генов. Эти белки изучались по разным направлениям в 21 научной работе. Подобных наборов данных для человеческих клеток пока что просто не существует (кстати, у людей каждый тип клеток содержит подмножество белков, кодируемых двадцатью тысячами генов).

Огромное количество уже полученных по дрожжам данных исследователи объединили, сравнили и преобразовали разрозненные показатели в "нечто, что имеет смысл, иными словами, в число молекул на одну клетку", говорит Грант Браун.

Протеом, то есть совокупность белков организма, у пекарских дрожжей насчитывает 5858 белков. Как уже упоминалось выше, общее количество белковых молекул, из которых состоят эти белки, учёные оценили в 42 миллиона. Большинство белков при этом имеет от одной до десяти тысяч молекул. Некоторые из них насчитывают до полумиллиона молекул, а другие – не более десяти.

И что ещё более интересно, анализ данных помог определить механизмы, посредством которых клетки контролируют обилие различных белков. Авторы уверены, что нечто подобное можно наблюдать и в клетках человека, и это поможет выявить "молекулярные корни" многих болезней.

Кроме того, было показано, что запасы тех или иных белков напрямую связаны с их ролью в работе клетки. Имея такие численные данные о "белковом населении" клетки, можно понять, какие белки за что отвечают.

Наконец, ещё один немаловажный вывод, касающийся процессов работы, а именно – флуоресцентных маркеров. Напомним, что открыли зелёный флуоресцирующий белок GFP и тем самым революционизировали инструменты биологической науки Осаму Симомура (Osamu Shimomura), Мартин Чалфи (Martin Chalfie) и Роджер Циен (Roger Tsien). За эту работу в 2008 году им была присуждена Нобелевская премия по химии.

Однако не все восприняли использование светящегося маркера с энтузиазмом. У многих исследователей применение светящихся маркеров вызывало беспокойство: считалось, что они могут повлиять на долговечность белка, и это может испортить данные.

Теперь же канадские специалисты доказали, что флуоресцирующий белок в качестве метки совершенно безопасен и не влияет на "здоровье" и обилие других белков.

Авторы новой работы уверены, что она будет иметь огромное значение, во-первых, в изучении дрожжей, а во-вторых, для молекулярной биологии в целом. Научные центры по всему миру смогут пересмотреть и скорректировать свои данные, к тому же, теперь у учёных есть определённые схемы, по которым они смогут оценивать количество, функции и роли белков в клетках самых разных организмов.

Научная работа по итогам исследования опубликована в журнале Cell Systems.

Напомним, сегодня уже известно, что определённые белки являются маркерами многих нарушений болезней – Альцгеймера, аллергии, диабета и ожирения и даже послеродовой депрессии.