Как, где и для чего карельские ученые используют протеомику?
Протеомика — это особая бурно развивающаяся область современной биологии. Протеомика изучает белки. Белковый мир сложен и индивидуален для каждого организма. Изучение взаимодействий белковых молекул, их модификаций, поиск новых белков — это те направления протеомики, которые сейчас позволяют решать многие практические задачи науки: понимать причины возникновения заболеваний и разрабатывать методы лечения. Более того, протеомика позволяет исследовать окружающий нас мир и раскрывать особенности взаимоотношений живых организмов. И на вопрос «Как же это происходит?» знают ответ карельские биологи из лаборатории экологической биохимии Института биологии КарНЦ РАН. Именно здесь — в лаборатории — протеомика используется для решения практических проблем аквакультуры и рыболовства: для изучения паразитов. Мы предлагаем Вам в формате путешествия отправиться с нами по самым важным локациям.
Локация 1 — Онежское озеро
Четыре года назад кандидат биологических наук Екатерина Борвинская и аспирант Альбина Кочнева стали использовать протеомику для изучения ленточных червей — распространенных паразитов рыб и человека. Ленточные черви заражают водные организмы, и их «скрытые» взаимодействия с хозяевами являются одним из основных фундаментальных вопросов в биологии и экологии. Они имеют сложный жизненный цикл, в ходе которого сменяют нескольких хозяев.
В лаборатории подробно исследуют два вида ленточных червей Triaenophorus nodulosus и Triaenophorus crassus. Они очень похожи и живут в одних и тех же экосистемах: их первый промежуточный хозяин - веслоногий рачок, затем они заражают различных пресноводных рыб, а взрослый паразит локализуется в кишечнике щуки (Esox lucius).
Интересно, что эти два вида могут инфицировать одну и туже рыбу, но в ходе эволюции их личинки «поделили территорию»: личинки T. nodulosus способны инфицировать печень очень широкого круга вторых промежуточных хозяев, в то время как личинки T. crassus обитают в мышцах лососёвых рыб. Для биологов два вида представляют интересную и удобную модель для изучения общих и специфических молекулярных механизмов, определяющих способность заражать разные виды рыб в одной экосистеме. Вся информация о белках, в том числе и тех, которые позволяют паразитам адаптироваться к внешней среде и к хозяину, закодирована в ДНК, а изучение полного набора молекул РНК, транскрибируемых с ДНК паразита, — транскриптома — помогает многое узнать о белках паразитов и о том, как они используются для их адаптации.
«Ленточные черви — немодельные организмы, для них в базах данных нет сведений о протеоме. Поэтому мы решили самостоятельно собрать транскриптом T. nodulosus. И на это удалось. В нашей недавней публикации в Marine Genomics, мы представили полученные транскрипты паразита, по которым удалось предсказать его протеом. Удивительно, но около двух третей белков ленточных червей сильно отличаются от белков других живых организмов по своей структуре и функциям. Анализ транскриптома T. nodulosus выявил около четверти белков с совершенно уникальной структурой — это представляется как отдельная вселенная ленточных червей с неизвестными биологически активными соединениями в ней», - рассказывает Екатерина.
Совместно с Екатериной над выявлением «скрытых» механизмов адаптации паразитов работает аспирант Альбина Кочнева. Ее магистерская диссертация была посвящена изучению T. nodulosus и ферментов антиоксидантной защиты его промежуточного хозяина окуня (Perca fluviatilis). Теперь Альбина в рамках подготовки «кандидатской» диссертации углубилась в область протеомики паразитов. Так, чтобы понять механизмы их адаптации, Альбина сравнила белковые профили T. nodulosus и T. crassus на разных этапах их жизни и в разных сегментах тела паразитов. Результаты были представлены на 11-й Международной конференции по биоинформатике регуляции и структуры генома \ Системная биология в 2018 году.
«Я не перестаю удивляться тому, как паразиты адаптируются к жизни внутри другого организма. За их обманчивой простотой скрываются малоизученные сложные молекулярно-биохимические механизмы. Вместе с аналитиками из Санкт-Петербургского государственного университета, мы обнаружили, что существует количественная и качественная изменчивость некоторых белков в разных частях тела паразита, что позволяет различать и сохранять их морфологические и физиологические характеристики. Чтобы подтвердить биохимическую неоднородность различных частей тела червя, мы, используя различные методы протеомики. Практические школы и международные конференции по протеомике, организованные HUPO, включая национальное протеомное общество RHUPO, другие протеомные общества, такие как EuPA, очень помогли мне в моей научной жизни. Все эти мероприятия позволили мне встречаться с друзьями и коллегами в этой области, рассказывать о моих результатах и получать ценные отзывы, а также следить за последними достижениями в протеомных подходах» - сказала Альбина.
К сведению: Human proteome organization (HUPO) - международное обществ по изучению протеома человека, RHUPO – национальное протеомное общество, European proteomic association (EuPA) – европейское протеомное общество.
Помимо этих находок, было обнаружено огромное количество белка с неизвестной функцией в голове личинки T. nodulosus, который предположительно ответственен за паразитирование личинки именно в паренхиме печени. Напротив, личинка T. crassus не может локализоваться в печени и паразитирует в мышцах своего хозяина. Также протеомный анализ личиночной стадии T. nodulosus, собранной из печени окуня, ёрша и налима показал, что экспрессия некоторых белков сильно зависит от хозяина паразита. Эти результаты подтверждают гипотезу Красной Королевы Валена (1973) о совместной эволюции паразитов и их хозяев, у которых происходит своего рода гонка молекулярного вооружения.
«В течение нескольких сотен миллионов лет угроза заражения ленточными червями была фактором эволюции позвоночных. Бесконечные процессы «нападения и защиты» приводят к неизбежным белковым «изобретениям» и у паразита, и у хозяина. Благодаря протомике, сейчас идентифицирован и обсужден видоспецифический протеом паразитических червей, в том числе в эволюционном аспектах и в онкогенном плане - способствованию развития онкологии», - сказала Екатерина.
Локация 2: Пресноводные озера, бассейн Белого моря, Кольский полуостров.
А сейчас мы предлагаем Вам мысленно перенестись в пресноводные акватории бассейна Белого моря. Здесь в небольших озерах Альбина ловит трехиглую колюшку. Колюшка очень быстро плавает, и её трудно поймать! Но Альбине это удается. Это место лучше всего подходит для изучения другого представителя ленточных червей Schistocephalus solidus. Ученые недавно обратили внимание на очень сложный жизненный цикл этого паразита. Паразит путешествует от одного своего промежуточного хозяина к другому: зоопланктон (циклопоидные веслоногие рачки), трехиглая колюшка, и, наконец, рыбоядная птица.
Екатерина и Альбина изучают особый для паразита этап жизни — переход от холоднокровного хозяина (рыбы) к теплокровному хозяину (птице). В лаборатории экологической биохимии есть и специальный аквариум, где содержится трехиглая колюшка. Протеомный анализ будет проводиться при тесном сотрудничестве со специалистами ЦКП «Протеом человека» Института биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича (ИБМХ).
«Мы рассматриваем, влияние температуры во время перехода от рыбы-хозяина к теплокровному хозяину-птице. Такой температурный переход сопровождается изменением спектром белков и липидов паразита. Подобные исследования уже проводились на уровне транскриптомов. Но мы заинтересованы в прямом поиске белков, особенно на поверхности тела паразита, так как именно здесь происходит активная коммуникация паразита с хозяином и соприкосновение их метаболических путей. Следует отметить, что такую биологическую задачу можно решить только путем совместного анализа протеома и липидома (совокупности жиров организма). Именно белки и липиды поддерживают взаимодействие организмов с окружающей средой, а для паразита с его хозяином, - поясняет Екатерина.
Вот так в карельской лаборатории ученые используют протеомику для изучения сложных взаимоотношений паразита и его хозяина. Благодаря усилиям заведующей лаборатории экологической биохимии, доктора биологических наук Светланы Мурзиной и общества HUPO в серии научно-популярных статей “Proteomics in action” об исследованиях карельских ученых сделана публикация на английском языке «Proteomics goes outdoor: proteomics in marine and environmental sciences».