Durante más de medio siglo, Los estudios sobre la rana de garras africana (Xenopus laevis) han ayudado a los científicos a comprender mejor los fundamentos biológicos de la vida. desde el desarrollo embrionario y la neurobiología hasta la genética y la enfermedad. Las afirmaciones de la rana a la fama incluyen el descubrimiento ganador del Premio Nobel de que el destino de las células adultas se puede reprogramar, y alguna vez sirvió como la única prueba de embarazo confiable del mundo.

Ahora, Las nuevas tecnologías permiten a los científicos aprender aún más sobre los procesos fundamentales que impulsan la biología a partir de estos organismos modelo hogareños.

Informar en el procedimientos 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 cambios en miles de proteínas a medida que los huevos de Xenopus se fecundan.

Su investigación revela aspectos previamente opacos de los mecanismos moleculares involucrados en la fertilización, incluyendo 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 óvulo, y cómo el óvulo libera rápidamente grandes cantidades de proteína para ayudar a prevenir la fertilización por múltiples espermatozoides.

Los resultados permiten análisis completos de la dinámica de las proteínas en una célula dentro de una ventana de tiempo estrecha, los investigadores dijeron, que puede informar estudios de 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 una dinámica, sistema complejo, "dijo Kirschner, Profesor de Biología de Sistemas de la Universidad John Franklin Enders y presidente del Departamento de Biología de Sistemas de la Facultad de Medicina de Harvard.

"El método debería utilizarse ampliamente 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, arrojar luz sobre el ciclo celular, división celular y 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 a lo largo del 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 etiquetar proteínas en huevos de Xenopus con etiquetas químicas similares a códigos de barras. permitiendo a los científicos analizar miles de proteínas a la vez utilizando 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 utilizan las células para regular la actividad de una proteína.

Tomando medidas durante y hasta 20 minutos después de la fertilización, los investigadores encontraron que los niveles de una pequeña cantidad de proteínas de baja abundancia caen rápidamente.

En unos minutos, la destrucción de estas proteínas provoca el reverso 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 el huevo 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 almacenado en compartimentos celulares cerca de la membrana, Es probable que estos conjuntos de proteínas se secreten para ayudar a prevenir la fertilización por parte de múltiples espermatozoides. 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 proteínas fuera de la célula, lo que los investigadores sospechan ayuda a bloquear múltiples eventos de fertilización al destruir las proteínas que unen los espermatozoides. En un hallazgo un tanto paradójico, el equipo también observó un aumento en las proteínas que inhiben la actividad de las enzimas que degradan las proteínas. Las razones, sin embargo, siguen siendo poco claros y presentan una vía para estudios futuros.

"Pudimos observar características nuevas y previamente conocidas del ciclo celular, pero también pudimos desenredar otros eventos importantes que ocurren en paralelo, "Presler dijo." La fertilización se produce 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 mediante una combinación de enfoques tecnológicos y matemáticos. Representa una mejora significativa con respecto a los análisis de proteínas a gran escala de uso común que pueden hacer que la predicción precisa de las diferencias funcionales sea un desafío.

Al mejorar significativamente el detalle y la escala a la que los científicos pueden estudiar la composición y las modificaciones de las proteínas, incluso a través de estrechas ventanas de tiempo, 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 sucede en condiciones normales, procesos saludables, ", Dijo Presler." Preguntamos cuáles eran las diferencias moleculares entre un óvulo fertilizado y no fertilizado, pero este enfoque es inmediatamente aplicable para estudiar otras cuestiones importantes, como las diferencias entre las células que se encuentran en estado sano y en estado de 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, " él dijo.