Die wahren Helden dieser Geschichte sind die Beispiele. Hier haben wir Proben von kalifornischen Seelöwen und ein Humanserum-SRM für die Analyse am Massenspektrometer. Bildnachweis: Alison Bland / College of Charleston

Blut, Schweiß und Genome: Eine Herausforderung zur Förderung der Messwissenschaft in Nichtmodellorganismen

Ben Neely, Biomedizinischer Wissenschaftler, Marine Biochemical Sciences Group

Derzeit gibt es etwa 5.400 verschiedene Säugetierarten auf der Erde, aber dies war bis vor etwa 56 Millionen Jahren nicht der Fall. Als nicht-avianische Dinosaurier verblassten, begannen Säugetiere, die leeren Nischen zu füllen, und außergewöhnliche Dinge passierten, als zum Beispiel Hippo-artige Kreaturen ins Meer zurückkehrten und das wurden, was wir heute als Wale, Delfine und Schweinswale (Cetaceans) kennen. Schneller Vorlauf bis zum heutigen Tag und wir haben Säugetiere, die fliegen können, mit sehr wenig Wasser leben, superschnell rennen und fast alles essen.

Trotz dieser scheinbaren Vielfalt sind Säugetiere grundsätzlich sehr ähnlich. Wir haben die gleichen Grundorgane, verdauen Nahrung im Wesentlichen auf dieselbe Weise und haben ähnliche Skelettsysteme, aber was noch wichtiger ist, wir haben ein sehr ähnliches Repertoire an Genen und Proteinen. Aber, und ich entschuldige mich für die Verwendung von Auto-Analogien. Dies ist, als würde man sagen, ein VW-Käfer ist das gleiche wie ein Formel-1-Rennwagen. Sie haben zwar die gleichen Grundbestandteile, sind jedoch für einen ganz bestimmten Zweck optimiert. Gleiches gilt für Säugetiere. Zum Beispiel kann ein Seelefant das Blut zu seinen lebenswichtigen Organen absperren und über eine Stunde lang fast eine Meile unter Wasser tauchen und nicht sterben, wenn es wieder auftaucht und das sauerstoffreiche Blut zurückfließt. Schwarzbären können über sieben Monate lang in den Winterschlaf gehen, doch ihre Muskeln verkümmern nicht und die Giftstoffe, die sich im Blut angesammelt haben, töten sie nicht. Diese unterschiedlichen Anpassungen verwenden den gleichen grundlegenden Bauplan und die gleiche Maschinerie von Säugetieren, werden jedoch so eingestellt, dass diese Tiere Superkräfte erhalten, d. H. Vorteilhafte Phänotypen.

Biologen nutzen seit Jahren Erkenntnisse aus der Natur, um die Technologie voranzutreiben, z. B. Geckofüße und Klebstoffe. Die Untersuchung von natürlich vorkommenden vorteilhaften Phänotypen auf molekularer Ebene ist für die menschliche Gesundheit enorm vielversprechend. Wenn wir feststellen können, wie die Gene der tauchenden Säugetiere und die Proteine, die sie kodieren, den Fluss von sauerstoffreichem Blut zu Organen nach dem Auftauchen wieder herstellen können, ohne dabei Gewebeschäden zu erleiden, könnten wir dieses Wissen nutzen, um die Schäden durch Herzinfarkte, Schlaganfälle und Nieren zu begrenzen Verletzung. Wenn wir verstehen, warum Elefanten viel weniger Krebs haben oder warum Hunde und Seelöwen eine viel höhere Rate haben als Menschen, könnten wir dasselbe für die Krebsforschung tun. Die Erkenntnisse, die die Natur uns bieten kann, sind jedoch durch unsere Fähigkeit, die notwendigen Vergleiche anzustellen, eingeschränkt. Dafür gibt es unzählige Gründe, aber zwei sind einfach so, dass die analytischen Werkzeuge nicht verwendet werden sollen und standardisierte Daten nicht vorhanden sind.

NISTy damit bekommen

Hier setzt NIST Charleston in Charleston, South Carolina, an. Wir verfügen über modernste Instrumente und Erfahrung, wenn wir tief in Proteome eintauchen, d. H. Die Sammlung von Proteinen in einer Probe. Zum Beispiel habe ich im letzten Jahrzehnt Proteomik-Techniken verwendet, um alles von Krebs-Biomarkern bis zur Gesundheit von Meeressäugern zu untersuchen, und analytische Workflows für zahlreiche Anwendungen entwickelt. Derzeit können wir über 300 verschiedene Proteine ​​im Blut und über 8.000 in Geweben routinemäßig identifizieren und messen (als Referenz haben Menschen möglicherweise über 20.000 verschiedene Proteine). Wichtiger als unsere Fähigkeit, modernste Proteomik zu betreiben, ist es, dies standardisiert zu tun. Dieser Punkt mag unbedeutend erscheinen, ist aber tatsächlich unglaublich wichtig. Zum Beispiel haben wir bereits Blut-Proteom-Datensätze von Delphinen, Menschen, Ratten und Affen veröffentlicht, aber es ist fast unmöglich, die Ergebnisse aufgrund unterschiedlicher Probenextraktions- oder Datenerfassungsmethoden zu vergleichen. Wir verwenden standardisierte Methoden aus Sample-to-Data- und Human-Standard-Referenzmaterialien, um die Qualität auf dem Weg zu gewährleisten. Diese Konzentration auf Qualität stellt sicher, dass die resultierenden Daten die größten Auswirkungen auf unsere Stakeholder haben.

Kalifornische Seelöwen haben eine der höchsten Krebsfälle bei Wildtieren. Bildnachweis: K. Prager / UCLA

Neben den erforderlichen analytischen Fähigkeiten, die nicht überraschend sind, da wir NIST sind, arbeiten wir mit einer unglaublichen Gruppe von Tierärzten und Feldbiologen zusammen, die Teil des CoMPARe-Programms (Comparative Mammalian Proteome Aggregator Resource) sind. Unsere Mitarbeiter entnehmen und archivieren häufig kleine Blutproben im Rahmen von Gesundheitsanalysen oder als Standardbehandlung in Zoos und Kliniken. Sie können oft die drei Mikroliter (etwa 1/10 eines Tropfen Blutstroms) einsparen, die wir zur Durchführung einer Proteomanalyse benötigen. Mit ihrer Hilfe bauen wir einen phylogenetisch vielfältigen Datensatz auf.

Jede von uns untersuchte Art ist eine Gelegenheit, die Machbarkeit moderner bioanalytischer Techniken in einem neuen System zu demonstrieren. In der Regel verwenden Wissenschaftler Modellorganismen der menschlichen Entwicklung und Krankheiten wie Nagetiere, Nematoden, Fruchtfliegen und Zebrafische, für die wir eine Vielzahl von biochemischen Werkzeugen und jahrzehntelang bewährte bioanalytische Fähigkeiten besitzen. Das klassische Dogma legt nahe, dass es riskant ist, Nichtmodell-Organismen (wie Bären, Robben oder Fledermäuse) zu untersuchen, um Fragen über interessante Biologie zu beantworten, da die Analysewerkzeuge einfach nicht da sind. Dies wiederum behindert den Fortschritt in der kritischen Forschung, die zu wirksameren Ergebnissen führen könnte. Indem das NIST zum ersten Mal mit einer neuen Art arbeitet, beantwortet es die Frage "Kann es getan werden?". Wenn der erste Schritt zum Nachweis der Leistungsfähigkeit moderner Techniken in Nichtmodellorganismen gemacht wird, erhalten Forscher die Beweise, die sie für Studienvorschläge benötigen Transkriptomik (RNA-Moleküle in einer Zelle oder Zellpopulation) und Proteomik in ihren Laboratorien verwenden.

Der bluttrinkende (bluttrinkende) Harnstoff des Serum des Vampirfleders hat angeblich keine Nierenschäden Wenn Sie wissen, wie Ihr Körper sie vor chronischen Erkrankungen oder Krankheiten schützt oder nicht, kann dies auf neue Therapien für den Menschen schließen. Gutschrift: Ltshears / CC BY-SA 3.0

Ich denke gerne, dass wir bei NIST wie wissenschaftliche Leuchttürme bauen. Wir können sehen, dass der Bereich, in dem wir uns auf den Weg machen, der Forschung und dem Handel von Nutzen sein könnte, also mutig und kartografieren wir die Felsen, kommen an Land und bauen die Infrastruktur, die andere nutzen können, um diese neuen Gewässer zu erkunden und dieses neue Land zu erkunden. Diesen Weg zu beschreiten ist schwierig und nicht viele Unternehmen oder Forscher wollen etwas riskieren. Da wir diesen ersten Schritt tun, tragen wir nicht nur zur Förderung der humanmedizinischen Forschung bei, sondern beschleunigen auch die Forschung an Nichtmodell-Arten. Wir leben in einer postgenomischen Ära falsch, aber man kann eher sagen, dass wir uns an der Schwelle der postmodellen Ära des Organismus befinden, in der eine hochmoderne Arbeit an jeder Art möglich ist.

Genome in einer Ära nach dem Modell des Organismus

Um diese Art der Proteomanalyse durchführen zu können, müssen Sie jedoch die Reihenfolge der Aminosäuren kennen, die Bausteine ​​der Proteine ​​sind, die wiederum in unserem genetischen Code (Paare der Nukleotide A, T, C und G) aufgeführt sind. Und wenn Sie mehr über 20.000 Proteine ​​wissen wollen, müssen Sie das gesamte Genom kennen, das aus rund 2,5 Milliarden Basenpaaren besteht. Das erste Genom wurde vor 22 Jahren (Hefe) sequenziert, jedoch sind derzeit nur 120 Säugetiergenome annotiert, und ein Drittel davon sind Nagetiere und Primaten. Die gute Nachricht ist, dass es einfacher als je zuvor ist, ein Genom zu sequenzieren, und es gibt eine wahre Explosion der Genomsequenzierung (beste Beispiele sind DNA Zoo und das Earth BioGenome-Projekt).

Das Sequenzieren und Assemblieren eines Genoms, für das eine Armee von Bioinformatikern erst Jahre gebraucht hatte, ist jetzt in weniger als zwei Wochen möglich. Von dort geht es zum Team der Referenzsequenzdatenbank des National Center for Biotechnology (RefSeq), das das Genom annotiert, um zu bestimmen, wo die Gene beginnen und stoppen und den Proteinen Namen und Aminosäuresequenzen zuweisen. Unser Projekt enthält derzeit Proben von mehr Arten als wir für Genome haben, aber wir arbeiten aktiv daran, Schlüsselgenome zu sequenzieren (wie beispielsweise den Atlantischen Bottlenosedelphin im Jahr 2016) oder bei der Generierung von Daten für RefSeq zur Annotation von Genomen (wie dem kalifornischen Seelöwen). Wenn wir phylogenetische Wüsten (Gruppen von Arten ohne Genome wie Beuteltiere) finden, können wir die Hilfe von CoMPARe-Programmmitarbeitern in Anspruch nehmen, um die Lücken auszufüllen.

Ich verwende das ultrahochauflösende Tribrid-Massenspektrometer, um Säugerproteine ​​zu katalogisieren und zu messen Bildnachweis: C. Davis / NIST

Daten, Daten überall

Sobald wir Daten aus dieser Menagerie von Arten generiert haben, müssen wir festlegen, wie die Ergebnisse verglichen werden sollen. Auf einer sehr einfachen Ebene kann dies, gelinde gesagt, eine Herausforderung sein. Proteine ​​mit homologen Aminosäuresequenzen haben nicht immer denselben Namen. Serinprotease-Hepsin im Walross ist zu 92 Prozent identisch mit dem Humanprotein Hepsin. Dieser kleine Unterschied in der Benennung wird durch viele Arten und Hunderte von Proteinen verstärkt. Zusammen mit unseren CoMPARe-Programmmitarbeitern erstellen wir Werkzeuge für die Informatik, die Ergebnisse „humanisieren“, sodass wir wissen, welche Proteine ​​zwischen den Spezies gleich sind, z. B. wird das gesamte Hepsin Hepsin genannt. Wir arbeiten jedoch auch mit den Gruppen zusammen, die für die Zuweisung der Proteinnamen verantwortlich sind, sodass wir nicht nur Einzellösungen entwickeln, sondern das System selbst ändern wollen. Schließlich werden diese Ergebnisse in einem Webportal veröffentlicht, das es den Forschern ermöglicht, Daten abzurufen, nach Mustern zwischen Artengruppen zu suchen oder sogar die relativen Konzentrationen von Proteinen von Interesse über die verschiedenen vertretenen Spezies hinweg zu untersuchen.

Von besonderer Bedeutung ist für mich die Tatsache, dass die durch dieses Projekt generierten Daten so schnell wie möglich der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden, um Forschern zu helfen, Hindernisse für Entdeckungen zu überwinden und offene wissenschaftliche Praktiken zu fördern. Jede von uns entwickelte Lösung, sei es ein Informatikwerkzeug oder ein neues Genom, wird der Welt zur Verfügung stehen, und ich freue mich auf kreative Anwendungen.

Wenn wir Tausende und Zehntausende biologischer Bestandteile messen, wird mir immer klarer, dass eine einzelne Gruppe die in einem Datensatz enthaltenen Nuancen nicht effektiv verstehen kann. Es ist hirnriechend zu glauben, man könnte. Unser Ziel ist es nicht zu verstehen, sondern die Entdeckung durch andere zu erleichtern. Wir haben sehr grundlegende Fragen, etwa ob etwas im Blut Hinweise auf bestimmte Merkmale bei Säugetieren geben kann. Unabhängig davon, ob diese erste Frage am besten zu beantworten ist, wird sie andere dazu befähigen, elegantere Fragen zu stellen, die zu einem tieferen Verständnis der Lebensmaschinerie führen.

Dieser Beitrag erschien ursprünglich auf Taking Measure, dem offiziellen Blog des National Institute of Standards and Technology (NIST) am 12. Februar 2019.

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Über den Autor

Ben Neely ist seit 2,5 Jahren bei NIST Charleston im Hollings Marine Laboratory in Charleston, South Carolina, für die Gruppe der biochemischen Biowissenschaften tätig. Er hat im letzten Jahrzehnt auf Massenspektrometrie basierende Proteomik verwendet, um Biomarker zu finden, die sich auf Krankheiten und das Fortschreiten von Krebs bei Menschen und Meeressäugern beziehen. Ben ist nicht nur an der Entwicklung neuer Referenzmaterialien und standardisierter Methoden beteiligt, sondern beschäftigt sich auch intensiv mit aufkommenden Proteomik-Techniken wie der datenunabhängigen Erfassung und Metaproteomik.