Точное наблюдение за белками в клетках чрезвычайно важно для многих отраслей исследований, но до сих пор оно представляло собой серьезную техническую проблему, особенно в живых клетках, поскольку требуемую флуоресцентную метку приходилось прикреплять к каждому белку отдельно.
Исследовательская группа под руководством Штефана Кубичека из CEMM преодолела это препятствие: с помощью метода под названием «vpCells» можно одновременно помечать множество белков, используя пять различных флуоресцентных цветов. Этот автоматизированный высокопроизводительный подход, в котором помогает распознавание изображений с помощью искусственного интеллекта, открывает совершенно новые возможности для применения в различных дисциплинах, от фундаментальной клеточной биологии до открытия лекарств. Исследование опубликовано в журнале Nature Cell Biology.
Без белков жизнь в том виде, в котором мы ее знаем, была бы немыслима. Они обеспечивают структурную основу клеток, действуют как ферменты, контролирующие метаболизм, и позволяют клеткам взаимодействовать с окружающей средой в качестве мембранных рецепторов, транспортеров или сигнальных молекул. Все эти функции могут быть выполнены только в том случае, если белки расположены в правильном месте клетки. Часто даже свойства белка меняются, когда он находит новое местоположение – контроль над локализацией в клетке означает и контроль над его функцией.
Чтобы понять и изучить функции белков, необходимо точно определить и отследить их местоположение, так как они часто перемещаются между различными органеллами клетки. Чтобы визуализировать их под микроскопом, клетки часто связывают с флуоресцентным, ярко светящимся белковым компонентом. Однако этот метод сталкивается с техническими трудностями: как правило, флуоресцентный компонент можно присоединить только к одному белку за раз, а для маркировки нескольких белков клетки приходилось убивать и фиксировать.
Новый метод, представленный группой Стефана Кубичека и получивший название «визуальная протеомика клеток» (vpCells), позволяет флуоресцентно маркировать белки таким образом, что сохраняются их эндогенные регуляторные механизмы. Вместо того чтобы помечать один белок за раз, vpCells может одновременно маркировать множество белков. Предшественник этого метода уже был описан командой Кубичека в 2020 году для изучения метаболических ферментов. Теперь он был расширен и улучшен по трем направлениям.
Во-первых, vpCells может маркировать все теоретически возможные белки, используя инструмент редактирования генов для присоединения флуоресцентных белков к исследуемым. Группа Кубичека создала для этой цели геномную «библиотеку», позволяющую флуоресцентно помечать и систематически исследовать функциональность всех возможных человеческих белков.
Во-вторых, в vpCells используется не один цвет, а целых пять. В каждой клетке помечены два разных белка, которые необходимо отслеживать. Кроме того, для лучшего различения отдельных клонов используется еще одна цветовая маркировка. Еще два цвета маркируют клеточное ядро и мембрану.
В-третьих, цветовая схема позволяет не только генерировать визуально привлекательные изображения, но и оптически распознавать и различать различные белки. Обычно для этого требуется сложное секвенирование ДНК, чтобы определить, какой белок помечен. Подход vpCells позволяет обучить систему распознавания изображений с помощью искусственного интеллекта понимать, какой белок помечен в той или иной клетке, основываясь исключительно на изображениях флуоресцентной микроскопии.
Метод уже продемонстрировал свою полезность: живые клетки использовались для решения конкретных исследовательских задач. Команда Кубичека изучила влияние более 1000 молекул на 61 белок, имеющий отношение к раковым клеткам. Исследователи обнаружили, что 44 из протестированных веществ изменяли количество или локализацию отдельных белков в течение 6 часов. Одно из веществ оказалось ингибитором транспорта белков из клеточного ядра, который обладает сходным действием с клинически одобренным препаратом для лечения множественной миеломы, рака кроветворной системы.
«Результаты дают первое представление об универсальности метода vpCells», – говорит Кубичек.ученые ожидают, что в будущем он найдет еще много применений, от фундаментальной клеточной биологии до прикладного поиска лекарств.
[Фото: Andreas Reicher]
