_ Spectacol de lumini în celulele vii: o nouă metodă permite marcarea fluorescentă simultană a multor proteine

Observarea precisă a proteinelor în interiorul celulelor este extrem de importantă pentru multe ramuri de cercetare, dar a reprezentat o provocare tehnică semnificativă, în special în celulele vii, deoarece fluorescentul necesar. marcarea a trebuit să fie atașată individual fiecărei proteine.

Grupul de cercetare condus de Stefan Kubicek de la CeMM a depășit acum acest obstacol: cu o metodă numită „vpCells”, este posibilă etichetarea multor proteine ​​simultan, folosind cinci culori fluorescente diferite. Această abordare automată de mare debit, ajutată de recunoașterea imaginilor asistată de AI, deschide aplicații complet noi în diferite discipline, de la biologia celulară fundamentală până la descoperirea de medicamente. Studiul a fost publicat în revista Nature Cell Biology.

Fără proteine, viața așa cum o știm noi ar fi de neconceput. Ele oferă cadrul structural pentru celule, acționează ca enzime pentru a controla metabolismul și permit celulelor să comunice cu mediul lor ca receptori membranari, transportatori sau molecule de semnalizare. Toate aceste funcții pot fi îndeplinite numai dacă proteinele sunt localizate în locul potrivit în interiorul celulei. Adesea, chiar și proprietățile unei proteine ​​se schimbă atunci când își schimbă locația - controlul asupra localizării acesteia în celulă înseamnă, prin urmare, și controlul asupra funcției sale.

Pentru a înțelege și explora funcția proteinelor, este esențial să determinați și urmăriți cu precizie locația lor în interiorul celulei. Proteinele circulă adesea dinamic între diferite organele și compartimente ale celulei. Pentru a le vizualiza la microscop, ele sunt adesea legate de o componentă proteică fluorescentă, strălucitoare. Cu toate acestea, această metodă s-a confruntat cu dificultăți tehnice: în mod obișnuit, componenta fluorescentă putea fi atașată doar la o singură proteină la un moment dat, iar pentru a eticheta mai multe proteine, celulele trebuiau de obicei omorâte și fixate.

Noua metodă. prezentat de grupul lui Stefan Kubicek, numit „celule de proteomică vizuală” (abreviat vpCells), permite ca proteinele să fie marcate fluorescent într-un mod care le păstrează mecanismele de reglementare endogene. În loc să eticheteze o singură proteină la un moment dat, vpCells pot fuziona multe proteine ​​simultan cu o etichetă fluorescentă într-o așa-numită abordare multiplex.

Un precursor al acestei metode a fost deja descris de echipa lui Kubicek în 2020 pentru studiul metabolismului. enzime. Acum a fost extins și îmbunătățit în trei moduri:

În primul rând, vpCells poate eticheta toate proteinele posibile teoretic folosind instrumentul de editare a genelor CRISPR/Cas9 pentru a atașa genetic proteinele fluorescente la proteinele investigate. Grupul lui Kubicek a creat o „bibliotecă” la nivel de genom în acest scop, permițând marcarea fluorescentă și explorarea funcțională sistematică a tuturor proteinelor umane posibile.

În al doilea rând, vpCells utilizează nu numai o culoare fluorescentă, ci un total de cinci culori complementare. În fiecare celulă, sunt marcate două proteine ​​diferite care trebuie urmărite. În plus, un alt marcaj de culoare este utilizat pentru a distinge mai bine clonele individuale. Și alte două culori marchează nucleul și membrana celulei pentru a delimita mai bine celulele individuale.

În al treilea rând, această schemă de culori permite nu numai să genereze imagini atractive din punct de vedere vizual, ci și să recunoască și să discrimineze optic diferitele proteine. În mod normal, aceasta necesită secvențierea complexă a ADN-ului după imagistica pentru a determina ce proteină este marcată. Abordarea vpCells, pe de altă parte, permite antrenarea unui sistem de recunoaștere a imaginilor asistat de AI pentru a recunoaște ce proteină este marcată în ce celulă, pe baza exclusiv imaginilor de microscopie cu fluorescență.

Metoda și-a demonstrat deja utilitatea în două aplicații: Pe de o parte, au fost generate peste 4.500 de linii celulare ca reporteri pentru mai mult de 1.100 de proteine. Aceste linii celulare au fost folosite pentru a antrena modelele AI și pentru a descrie localizarea proteinelor în starea lor bazală. Toate imaginile proteinelor etichetate individuale sunt disponibile în baza de date web accesibilă publicului vpCells.

Pe de altă parte, celulele reporter vii au fost folosite pentru o întrebare specifică de cercetare: echipa lui Kubicek a examinat efectul a peste 1000 substanțe cu molecule mici pe 61 de proteine ​​relevante pentru celulele canceroase. Cercetătorii au descoperit că 44 dintre substanțele testate au modificat cantitatea sau localizarea proteinelor individuale în decurs de 6 ore. Una dintre substanțe s-a dovedit a fi un inhibitor al transportului de proteine ​​din nucleul celular, care are un efect similar cu un medicament aprobat clinic pentru mielomul multiplu, un cancer al sistemului de formare a sângelui.

„Aceștia rezultatele oferă o primă privire asupra versatilității metodei vpCells”, spune Kubicek. „Ne așteptăm la multe aplicații viitoare, de la biologia celulară fundamentală la descoperirea de medicamente aplicate.”

(Fluierul)