Om beter te begrijpen wat de biologische diversiteit op aarde drijft, hebben wetenschappers in het verleden gekeken naar genetische verschillen tussen soorten. Maar dit geeft slechts een deel van het beeld. De eigenschappen van een bepaalde soort zijn niet alleen het resultaat van zijn genen, maar ook van de eiwitten waarvoor die genen coderen. Het begrijpen van de verschillen tussen de proteomen van soorten - of alle eiwitten die tot expressie kunnen worden gebracht - is daarom net zo belangrijk als het begrijpen van verschillen tussen genomen.

In een nieuwe studie hebben Yale-onderzoekers de proteomen van huidcellen van 11 zoogdieren vergeleken, wat volgens hen wetenschappers zal helpen de moleculaire drijfveren van biodiversiteit te begrijpen en hoe deze factoren in de loop van de tijd zijn geëvolueerd.

Ze ontdekten dat hoewel veel eiwitten zowel tussen als binnen soorten op dezelfde manier variabel zijn, sommige meer variabel zijn tussen soorten, wat aanwijzingen geeft over welke eiwitten belangrijker kunnen zijn in de evolutie van zoogdieren. Het werk kan onderzoekers ook helpen begrijpen waarom sommige soorten resistenter zijn tegen kanker.

Hun bevindingen werden op 9 september gepubliceerd in Science Advances .

"Om biologische diversiteit te begrijpen, en te weten hoe het DNA van verschillende soorten verschilt, wil je misschien ook weten hoe soorten zich gedragen, zich anders ontwikkelen en er anders uitzien", zegt Günter Wagner, emeritus hoogleraar Ecologie en Evolutionaire Biologie van Alison Richard. .

En deze eigenschappen - hoe een soort eruitziet, zich gedraagt ​​en zich ontwikkelt - worden verondersteld nauwer gerelateerd te zijn aan eiwitniveaus dan aan DNA, legt Yansheng Liu uit, een assistent-professor farmacologie aan de Yale School of Medicine.

Het vergelijken van eiwithoeveelheden tussen soorten was echter moeilijk, omdat de technologie om grootschalige analyses uit te voeren niet bestond. Maar Liu heeft een methode toegepast die data-onafhankelijke acquisitie-massaspectrometrie wordt genoemd en waarmee onderzoekers dit soort werk nu kunnen doen.

"Het is een conceptuele en technische doorbraak waarmee we op dit hogere, meer functioneel relevante niveau kunnen werken", zegt Wagner.

Liu is lid van het Yale Cancer Biology Institute en Wagner is lid van het Systems Biology Institute, beide gevestigd op de West Campus van Yale. Het was daar, tijdens een symposium over kankersysteembiologie dat ze beiden bijwoonden, dat hun samenwerking begon.

Voor de studie kwantificeerden de onderzoekers alle eiwitten die tot expressie worden gebracht in huidcellen van 11 zoogdiersoorten:konijnen, ratten, apen, mensen, schapen, koeien, varkens, honden, katten, paarden en opossums.

De analyse, zo ontdekten ze, leverde informatie op die niet met andere technieken kon worden verkregen. Terwijl eerder onderzoek bijvoorbeeld gekeken heeft naar verschillen in mRNA - het genetische materiaal dat wordt gebruikt voor het maken van eiwitten - ontdekten ze dat het meten van eiwitten aanvullende informatie opleverde die niet kon worden vastgelegd door alleen mRNA te analyseren, omdat mRNA slechts een indirecte maatstaf is voor de eiwitovervloed. .

Een streng mRNA draagt ​​de code voor het maken van een eiwit. En hoewel afzonderlijke eiwitten een bepaalde functie kunnen hebben, kunnen eiwitten ook met elkaar interageren en als groepen werken, legt Liu uit. Alleen kijken naar mRNA levert die informatie niet op.

"We ontdekten dat, met name voor bepaalde eiwitklassen, de eiwitrelatie met mRNA erg laag is", zei Liu. "Dat betekent dat het mRNA-profiel alleen al misleidend zou zijn."

Het team keek vervolgens naar eiwitvariatie zowel tussen soorten als tussen individuen binnen dezelfde soort, en ontdekte dat, voor de meeste eiwitten, niveaus die meer variabel waren tussen individuen, ook meer variabel waren tussen soorten. Maar er waren enkele eiwitten die niet in die trend pasten. Eiwitten die verband houden met celdeling en RNA-metabolisme waren bijvoorbeeld meer variabel tussen soorten dan tussen individuen van één soort (in dit geval mensen). Dit suggereert dat die functies een bijzonder belangrijke rol spelen in de evolutie van zoogdieren, aldus de onderzoekers.

"Inter-species versus inter-individuele verschillen is zeer interessant vanuit een evolutionair oogpunt," zei Wagner. "Door de twee te vergelijken, krijgen we een idee over hoeveel variatie binnen een soort wordt getolereerd en we kunnen die informatie gebruiken om het vermogen tot evolutie te voorspellen."

Ten slotte vergeleken de onderzoekers eiwitverwijderingssystemen tussen soorten. Er zijn twee hoofdsystemen die verantwoordelijk zijn voor het verwijderen van eiwitten in cellen, en ze ontdekten dat de ene vergelijkbaar was tussen soorten, terwijl de andere nogal wat variatie vertoonde tussen de verschillende zoogdieren.

Deze eiwitomzetting bepaalt hoe snel een cel van toestand kan veranderen, voegde Wagner eraan toe. "Als er een nieuw signaal binnenkomt, moet de cel de eiwitten weggooien die nodig waren voor zijn vorige toestand en nieuwe maken," zei hij.

En hoe snel een cel van toestand verandert, kan relevant zijn voor kanker.

"Gezonde cellen kunnen worden beïnvloed door nabijgelegen kankercellen", zegt Wagner. "Het zal belangrijk zijn om te begrijpen of de eiwitomzettingssnelheid gerelateerd is aan hoe reactieve cellen zijn op de invloeden van tumorcellen. Misschien hebben soorten die meer resistent zijn tegen kanker, zoals hoefdieren zoals koeien en varkens, cellen die minder goed in staat zijn om van toestand veranderen en minder gevoelig zijn voor de signalen van kankercellen."

En het begrijpen van de kwetsbaarheid van kanker is slechts één mogelijke toepassing van dit werk, aldus onderzoekers. Ze kunnen bijvoorbeeld beginnen met het correleren van eiwitverschillen met andere eigenschappen die per soort verschillen, zegt Liu.

Eiwitten zijn onderhevig aan chemische modificaties, die optreden wanneer andere moleculen zich aan een eiwit hechten en het activeren of deactiveren. En deze modificaties dragen bij aan eigenschappen die verschillen tussen en binnen soorten, omdat ze een belangrijke rol spelen bij het beïnvloeden van de eiwitfunctie. De onderzoekers beoordeelden één type modificatie in deze studie, fosforylering, en vonden dat variaties in fosforylatieniveaus voor het grootste deel niet gerelateerd waren aan variaties in eiwitovervloed, wat een nieuwe laag inzicht verschaft over wat de biodiversiteit aandrijft. De onderzoekers zullen in toekomstig werk andere wijzigingen blijven beoordelen.

"Het zal een completer beeld opleveren", zei Liu, eraan toevoegend dat biologische variabiliteit tussen soorten en individuen de biologische diversiteit op aarde vormgeeft. "Het meten van de verschillen in zowel eiwitten als gemodificeerde eiwitten tussen soorten zal ons begrip van biodiversiteit op moleculair niveau vergroten." + Verder verkennen

De evolutie van zoogdieren bestuderen om genregulatie bloot te leggen die zwangerschap en metastase van kanker verbindt