Durante más de medio siglo, estudios sobre la rana con garras africana Xenopus laevis ha ayudado a los científicos a comprender mejor los fundamentos biológicos de la vida, desde el desarrollo embrionario y la neurobiología hasta la genética y las enfermedades.Las afirmaciones de la rana a la fama incluyen el descubrimiento ganador del Premio Nobel de que el destino de las células adultas puede reprogramarse, y una vez sirvió como la única prueba de embarazo confiable del mundo.
Ahora, las nuevas tecnologías están permitiendo a los científicos aprender aún más sobre los procesos fundamentales que impulsan la biología de estos organismos modelo hogareños.
Reportando en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , un equipo dirigido por el biólogo de sistemas de la Escuela de Medicina de Harvard Marc Kirschner describe un nuevo enfoque para identificar y medir los cambios en miles de proteínas a medida que los huevos de Xenopus se fertilizan.
Su investigación revela aspectos previamente opacos de los mecanismos moleculares involucrados en la fertilización, incluidos detalles de cómo la fertilización desencadena la destrucción de una pequeña cantidad de proteínas de baja abundancia para liberar los "frenos" en el ciclo celular de un huevo, y cómo el huevo rápidamentelibera grandes cantidades de proteínas para ayudar a prevenir la fertilización por múltiples células de esperma.
Los resultados permiten análisis exhaustivos de la dinámica de las proteínas en una célula dentro de un período de tiempo limitado, dijeron los investigadores, lo que puede informar a los estudios de los comportamientos moleculares en una amplia gama de sistemas biológicos y ayudar a arrojar luz sobre los cambios celulares que impulsan la enfermedad.
"Hemos desarrollado un método que nos proporciona una capacidad de importancia crítica para cuantificar y medir niveles absolutos de proteínas y modificaciones de proteínas en un sistema dinámico y complejo", dijo Kirschner, profesor de biología de sistemas de la Universidad John Franklin Enders y presidente deDepartamento de Biología de Sistemas de la Facultad de Medicina de Harvard.
"El método debe ser ampliamente utilizado en muchos estudios biológicos y biomédicos", agregó Kirschner.
Los huevos de Xenopus se han utilizado durante décadas para investigar los eventos moleculares que ocurren durante la fertilización, arrojando luz sobre el ciclo celular, la división celular y el desarrollo embrionario.
Aunque se sabe mucho de años de estudio, los científicos aún tienen una comprensión incompleta de muchos aspectos de la fertilización debido a limitaciones técnicas, en particular, una imagen completa de las proteínas involucradas, sus funciones y lo que les sucede con el tiempo.
escaneo de código de barras
Con sus colegas Marc Presler y Elizabeth Van Itallie, estudiantes graduados en biología de sistemas en la Escuela de Medicina de Harvard, y Allon Klein y Steven Gygi, profesores de biología de sistemas y biología celular en la Escuela de Medicina de Harvard, Kirschner y el equipo de investigación utilizaron una técnica para etiquetarproteínas en los huevos de Xenopus con etiquetas químicas similares a códigos de barras, lo que permite a los científicos analizar miles de proteínas a la vez mediante espectrometría de masas.
Cuando se combina con una nueva metodología analítica, este enfoque permitió al equipo medir los niveles absolutos de proteínas en una célula y revelar detalles sobre la fosforilación de una proteína, una de las principales modificaciones químicas que las células usan para regular la actividad de una proteína.
Tomando mediciones durante y hasta 20 minutos después de la fertilización, los investigadores encontraron que los niveles de una pequeña cantidad de proteínas de baja abundancia disminuyen rápidamente.
En unos pocos minutos, la destrucción de estas proteínas provoca la reversión de la fosforilación de una gama mucho más amplia de proteínas en toda la célula, un proceso que promueve la finalización del ciclo celular, incluida la separación de copias de cromosomas, que prepara elhuevo para un mayor crecimiento.
Si bien solo alrededor del 0.01 por ciento de la masa proteica total de la célula se degradó, el equipo descubrió que la fertilización también desencadena la expulsión de 50 veces esta cantidad de proteína de la célula. Principalmente almacenados en compartimentos celulares cerca de la membrana, estos conjuntos deEs probable que las proteínas sean secretadas para ayudar a prevenir la fertilización por múltiples células de esperma, dijeron los investigadores.
Esta liberación coincide con un aumento sustancial en la fosforilación de numerosas proteínas de señalización y otras que juegan un papel en la generación de ondas de contracción en la superficie del huevo inmediatamente después de la fertilización.
El huevo también secreta varias enzimas que degradan las proteínas fuera de la célula, lo que los investigadores sospechan que ayuda a bloquear múltiples eventos de fertilización al destruir las proteínas que se unen a los espermatozoides. En un hallazgo algo paradójico, el equipo también observó un aumento en las proteínas que inhiben la actividad de la proteínaque degradan las enzimas. Sin embargo, las razones siguen sin estar claras y presentan una vía para futuros estudios.
"Pudimos observar características nuevas y previamente conocidas del ciclo celular, pero también pudimos desenredar otros eventos importantes que ocurren en paralelo", dijo Presler. "La fertilización ocurre a través de la coordinación de miles de moléculas a la vez,y por primera vez tenemos la oportunidad de entenderlo a esta escala "
La nueva metodología permite medir los niveles absolutos de proteínas y la fosforilación a través de una combinación de enfoques tecnológicos y matemáticos. Representa una mejora significativa sobre los análisis de proteínas a gran escala comúnmente utilizados que pueden dificultar la predicción precisa de las diferencias funcionales.
Al mejorar significativamente los detalles y la escala a la que los científicos pueden estudiar la composición y las modificaciones de las proteínas, incluso a través de ventanas de tiempo estrechas, el equipo cree que estas técnicas se pueden aplicar a muchos sistemas biológicos.
"Para comprender y curar la enfermedad, necesitamos una comprensión más precisa de lo que está sucediendo en los procesos normales y saludables", dijo Presler. "Preguntamos cuáles eran las diferencias moleculares entre un óvulo fertilizado y no fertilizado, pero este enfoque es inmediatamente aplicablepara estudiar otras preguntas importantes, como las diferencias entre las células que se encuentran en estado de salud y enfermedad ".
"La bioquímica de proteínas impulsa gran parte de la función de una célula, y esta metodología puede darnos una imagen más completa de cómo las células hacen lo que hacen", dijo.
Los autores adicionales del estudio incluyen a Margaret L. Coughlin y Leonid Peshkin del Departamento de Biología de Sistemas y Ryan Kunz del Departamento de Biología Celular, todos en la Facultad de Medicina de Harvard; y Martin Wu? Hr de la Universidad de Princeton.
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud HD091846, HD073104, GM103785, GM39565, una beca posdoctoral de Charles A. King Trust, la Universidad de Princeton y un fondo Burroughs Wellcome Fund y Mallinckrodt.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Medicina de Harvard . Original escrito por Kevin Jiang. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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