Cell：首次在整個細胞周期中跟蹤生物體的所有蛋白質(zhì)

市場動態(tài) | 2024-04-25

摘要：多倫多大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組繪制了酵母基因組編碼的蛋白質(zhì)在整個細胞周期中的運動圖

由多倫多大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組繪制了酵母基因組編碼的蛋白質(zhì)在整個細胞周期中的運動圖。這是首次在整個細胞周期中跟蹤生物體的所有蛋白質(zhì)，這需要深度學(xué)習(xí)和高通量顯微鏡的結(jié)合。

該團隊?wèi)?yīng)用了兩個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或算法，稱為DeepLoc和CycleNet，來分析數(shù)百萬活酵母細胞的圖像。結(jié)果繪制出了一個全面的圖譜，確定了蛋白質(zhì)的位置，以及它們在細胞周期的每個階段是如何在細胞內(nèi)大量移動和變化。

圖1 真核細胞周期中蛋白質(zhì)組規(guī)模的運動和隔室連接

該研究的第一作者、多倫多大學(xué)唐納利細胞和生物分子研究中心的博士后Athanasios Litsios說:“我們發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)濃度有規(guī)律地增加和減少的蛋白質(zhì)，往往參與調(diào)節(jié)細胞周期，而在細胞中具有可預(yù)測運動的蛋白質(zhì)往往促進周期的生物物理實現(xiàn)?！?/div>

這項研究最近發(fā)表在《細胞》雜志上。

細胞周期被理解為細胞發(fā)展到最終分裂成獨立細胞的階段。正是這個過程奠定了生命增殖的基礎(chǔ)，并且在所有生物中都在進行。

在分子水平上，細胞周期依賴于許多蛋白質(zhì)的協(xié)調(diào)，將細胞從生長和DNA復(fù)制一直運送到細胞分裂。蛋白質(zhì)的失調(diào)會擾亂細胞周期，而細胞周期的破壞可能導(dǎo)致癌癥等疾病。

研究人員觀察到，大約四分之一的酵母蛋白遵循規(guī)律的出現(xiàn)和消失，或移動到細胞的特定區(qū)域。大多數(shù)蛋白質(zhì)要么集中，要么運動，但不是兩者兼而有之。

圖2 一種用于量化活細胞時空蛋白質(zhì)組動力學(xué)的高含量篩選通路

Litsios說:“我們發(fā)現(xiàn)了大約400種蛋白質(zhì)在細胞周期中只有周期性定位，大約800種蛋白質(zhì)只有周期性濃度。這意味著蛋白質(zhì)在多個水平上受到調(diào)節(jié)，以確保細胞周期按計劃進行?！?/div>

研究小組利用熒光顯微鏡對酵母細胞圖像中的4000多種蛋白質(zhì)進行了追蹤，并對細胞核、細胞質(zhì)、線粒體等22個分類區(qū)域的細胞周期階段和蛋白質(zhì)位置進行了分類。通過使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，相位和蛋白質(zhì)位置識別是自動化的，細胞周期相位預(yù)測精度超過93%。

“我們分析了超過2000萬個活酵母細胞的圖像，使用機器學(xué)習(xí)將其分配到不同的細胞周期階段，然后，我們開發(fā)并應(yīng)用了第二個計算管道來調(diào)查蛋白質(zhì)在細胞周期中如何在定位和濃度上發(fā)生變化。這項研究產(chǎn)生了一個獨特的數(shù)據(jù)集，為細胞分裂過程中發(fā)生的分子變化提供了基因組尺度的視角?！痹撗芯康氖紫芯繂T、唐納利中心和Temerty醫(yī)學(xué)院的分子遺傳學(xué)教授Brenda Andrews說。

“酵母細胞是真核生物的一個很好的模型，我們可以用酵母細胞做某些事情，但用其他更簡單或更復(fù)雜的生物卻做不到。我們可以用酵母細胞來觀察大規(guī)模過程，這使它成為研究細胞周期的完美生物——希望能更好地理解人類細胞周期?！?/div>

參考資料

[1] Proteome-scale movements and compartment connectivity during the eukaryotic cell cycle