кому и зачем он нужен — Zira.uz

Часто люди, которые первый раз приходят в тренажерный зал или фитнес клуб замечают, что многие спортсмены и не только периодически пьют спортивное питание и чаще всего это протеиновые коктейли. У них тут же возникает уйма вопросов: 

— А что это? 

— А для чего? 

— А мне надо? 

Давайте разбираться.

Что такое протеин?

В настоящее время все больше людей знает о том, что питание должно быть сбалансированным и содержать достаточное количество белков, жиров и углеводов. 

Протеин — это пищевая добавка, которая представляет собой преимущественно порошковые формы белка. Для приготовления протеинового коктейля его смешивают с водой, соком или молоком. Также протеиновый порошок добавляют при приготовлении блюд.

Белок для протеина в основном добывают из следующих  источников: 

• сывороточный протеин — получают из молочной сыворотки;
• казеин — основной белок молока;
• яичный протеин — получают из белка куриных яиц;
• соевый протеин — получают из сои.

По сути протеин — это просто белок. А белки — это важнейший нутриент, который должен присутствовать в рационе каждого человека в достаточном количестве, так как они выполняют огромное количество жизненно важных функций.

Норма потребления белка зависит от пола, возраста, физической активности и от того хочет ли человек похудеть, поправиться или же удержать вес. В количественном диапазоне это цифра варьируется от 0,8 до 2,4 грамма на каждый килограмм веса.

Кому и зачем нужно пить протеин?

Многие ошибочно предполагают, что протеиновый порошок — это сплошная химия с непонятным составом и, не разобравшись, помещают его в список запрещенных продуктов. А тем не менее,  большинство протеиновых добавок представляют собой высококачественный белок с хорошим составом.

Протеиновые добавки являются отличной заменой белка людям, которые в силу каких-либо обстоятельств не употребляют в пищу белки животного происхождения (мясо, птицу, рыбу и т.д.). Например, вегетарианцы.

Для пожилых людей, имеющих проблемы с зубами, для ослабленных людей в период болезни, жидкие источники белка, а именно протеиновые коктейли могут стать хорошим дополнением к рациону.

Также особенной популярностью протеин пользуется среди спортсменов бодибилдеров, так как белок является основой для построения мышечной массы, костной и соединительных тканей.

Есть ли преимущества протеина перед пищевыми источниками белка?

Вопреки мнению, сформулированному рекламой, протеиновые добавки не имеют значительных преимуществ перед пищевыми источниками белка и не являются обязательным элементом рациона спортсменов.

С точки зрения насыщения и вкусовых качеств потребность в белке предпочтительнее покрывать за счет обычной твердой пищи.

 Протеиновые добавки рекомендуется употреблять в тех случаях, когда ввиду каких-либо обстоятельств не удается покрывать ежедневные нормы белка. 

2 290

Протеин подсолнечный с бесплатной доставкой на дом из «ВкусВилл»

Описание: Подсолнечный протеин ВкусВилл – это натуральный концентрат подсолнечного белка, произведенный методом холодного прессования без термической и химической обработки.
Кому нужен белок?
Белок – основной строительный материал для человеческого организма. Его регулярное употребление – основа здорового питания, хорошего самочувствия и внешнего вида. Дефицит белка может негативно сказаться на иммунитете, поскольку он необходим, в том числе, и для синтеза антител, которые противостоят вирусам. Основное количество белка важно получать с пищей, а для его набора в рационе питания или при его недостаточном поступлении можно обратиться к помощи добавок и обогащенных продуктов. Добавки белка могут быть полезны:
СПОРТСМЕНАМ
Потребность в белке выше у физически активных людей, он необходим для наращивания мышечной массы и достижения лучших результатов.
ВЕГЕТАРИАНЦАМ
И другим людям, не получающим достаточное количество белка из рациона питания.
ЖЕЛАЮЩИМ СНИЗИТЬ ВЕС
Некоторые исследования свидетельствуют, что диета с высоким содержанием белка может привести к большей потере жировой составляющей веса по сравнению с диетой со стандартным содержанием белка.
ЛЮДЯМ В ВОЗРАСТЕ 60+
С возрастом потребность в белке увеличивается, а общая потребность в калориях – снижается, может быть сложнее поддерживать оптимальное количество белка в рационе.
ВО ВРЕМЯ ПОСТА
Постная диета исключает потребление продуктов животного происхождения – привычный источник белка для большинства людей. Переход на растительную пищу, при достаточном потреблении растительного белка в рационе, способствует нормализации обмена веществ, снижению уровня холестерина и восстановлению микрофлоры кишечника.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИГОТОВЛЕНИЮ
1 мерная ложка = 8 грамм, 1 порция = 5 мерных ложек
Развести в воде, коровьем или растительном молоке, йогурте или другой жидкости. Объём жидкости зависит от порции, его можно регулировать для получения комфортной консистенции и вкусовой концентрации. На порцию 40 грамм обычно используют 300-400 мл жидкости.
Приготовить протеин можно взболтав в шейкере или просто размешав в стакане.
Для увеличения питательной ценности протеин можно добавлять в каши, салаты, использовать для приготовления смузи, блинчиков, выпечки и других блюд.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИЁМУ:
Для достижения максимального спортивного результата употребляйте протеин сразу после тренировки в размере одной порции 40 грамм (5мерных ложек), или в соответствии с вашей индивидуальной программой питания. Продолжительность приёма – по рекомендации

Сывороточный протеин изолят Optimum Nutrition 100% Whey Gold Standard 4.5 kg оригинал!ОН Вей голд, цена 3078.50 грн

100% Whey Gold Standard – абсолютный лидер среди протеинов!

Протеин 100% Whey Gold Standard принадлежит к третьему и самому новому поколению протеинов производства Optimum Nutrition. Данный продукт включает в себя изолят и концентрат сывороточного белка, а также пептиды молочной сыворотки. При этом в 100% Whey Gold Standard содержится минимальное количество жиров и углеводов.

Популярность данного протеина вполне оправдана, ведь оптимальная и сбалансированная концентрация всех ингредиентов способствует его лучшему и полному усвоению.

Именно благодаря пептидам скорость усвоения протеина 100% Whey Gold Standard наиболее быстрая в сравнении с конкурирующими продуктами. Аминоген и лактаза сводят к минимуму негативное влияние лактозы на организм. Также в одной порции 100% Whey Gold Standard содержится 4 г глютамина и около 5г BCAA, что немаловажно для преодоления серьезных нагрузок.

Итак, подведем итоги:

— 100% Whey Gold Standard содержит большое количество сывороточного белка в виде изолята, который в свою очередь является самым очищенным и самым качественным источником белка.

— Концентрация белка в этом протеине достигает практически 82%. С одной порции порошка в 30 грамм Вы получите 24 грамма белка.

— 100% Whey Gold Standard содержит пептиды молочной сыворотки, благодаря чему скорость его усвоения просто феноменальная.

— Лактаза и аминоген сводят к минимуму проблемы с пищеварением, которые могут испытывать люди с индивидуальной непереносимостью лактозы.

— 100% Whey Gold Standard проходит специальную обработку на последних стадиях производства, вследствие чего он становится легок в приготовлении и быстро растворяется в жидкости.

— Каждая порция протеина содержит еще больше микрофракций сывороточного белка, в том числе: лактопероксидазу, альфа-лактальбумин, бета-лактоглобулин, лактоферрин, гликомакропептиды, г-иммуноглобулина (lgG), и всевозможные факторы роста.

— В каждую порции входит около 4 г глютамина и 5 г BCAA.

Содержание питательных веществ в одной порции протеина (33 г)
Всего калорий	130 (в том числе из жиров — 20)
Количество жиров	2 г (в том числе насыщенных — 1 г)
Содержание холестерина	60 мг
Всего углеводов	3 г (в том числе сахаров — 1 г)
Количество белка	24 г
Натрий	210мг
Кальций	140 мг
Аминокислотный состав протеина
Аланин	1180 мг
Глицин	412 мг
Лизин	2233 мг
Серин	1126 мг
Цистин	494 мг
Глютамин	4082 мг
Пролин	1509 мг
Аргинин	505 мг
Валин	1422 мг
Изолейцин	1573 мг
Триптофан	405 мг
Гистидин	423 мг
Фенилаланин	748 мг
Треонин	1654 мг
Лейцин	2531 мг
Тирозин	703 мг
Аспарагиновая кислота	2508 мг
Метионин	492 мг

 

Прочие ингредиенты:

Протеиновая смесь (сывороточный изолят и концентрат, пептиды), какао, различные ароматизаторы, ацесульфам калия, соль, лецитин, сукралоза.

Рекомендации по применению протеина 100% Whey Gold Standard

Среднесуточное потребление белка должно быть около 2 г на килограмм собственного веса. Исходя из этого и следует рассчитывать количество порций принимаемых в день. Однако их должно быть не менее двух – сразу после сна и в течение получаса после тренировки (или в течение дня, если тренировок нет). Размешивать протеин можно в соке, молоке, воде, или другом напитке на ваш вкус из расчета одна мерная ложка на 250 мл жидкости.

Гид по белкам | Oriflame Cosmetics

1. ПОЧЕМУ ОРГАНИЗМУ НЕОБХОДИМ БЕЛОК?
Белки — неотъемлемая часть миллионов клеток, которые создает организм каждый день. При помощи аминокислот, «строительных блоков», из которых выстраивается тело, белки помогают организму выполнять различные функции: от восстановления тканей до производства энзимов.

2.

СКОЛЬКО БЕЛКА НУЖНО КАЖДЫЙ ДЕНЬ?
Рекомендуемая суточная норма потребления: 0,8-1 гр белка на один килограмм веса. Это примерно 56 грамм для взрослого мужчины весом 70 кг и 46 грамм для взрослой женщины весом 60 кг. Для спортсменов ставки увеличиваются и могут достигать 2 грамм на килограмм веса.

3. РАССКАЖИТЕ БОЛЬШЕ О ПРОТЕИНОМ КОМПЛЕКСЕ. ДЛЯ ЧЕГО ОН НУЖЕН?
Протеиновый комплекс — оптимальный источник высококачественных белков и клетчатки, который поможет обогатить ежедневный рацион. Автор формулы — Стиг Стен, доктор медицинских наук, старший профессор, заведующий кафедрой кардиохирургии Лундского университета (Швеция) и основатель научного центра в Игелесе. Он разработал протеиновый комплекс, чтобы обеспечить сбалансированное питание своим тяжелобольным родителям до и после операции.

4. КАК ПРОТЕИНОВЫЙ КОМПЛЕКС ПОМОЖЕТ МНЕ?
Уникальность формула профессора Стига Стена в том, что объединяет три разных источника белка (яйцо, горошек и сывороточный протеин). Эти богатые аминокислотами компоненты поддерживают способность организма создавать новые клетки и белки наилучшим образом. Также протеиновый комплекс обеспечивает необходимое количество клетчатки в организме и помогает нормализовать пищеварение. 

5. ИЗ КАКИХ ИНГРЕДИЕНТОВ ОН СОСТОИТ?

— Горошек: натуральный источник растительного белка без аллергенов, холестерола и лактозы.
— Сывороточный протеин: цельный белок из молока, содержит все девять необходимых организму аминокислот и быстро усваивается организмом.  
— Яйцо: источник ценного белка, богатый витаминами и минералами.

Также протеиновый комплекс содержит «медленные» углеводы, полезные жиры и клетчатку из трех растительных источников: яблоко, шиповник и свекла. Яблоки и шиповник богаты витамином С, важных для поддержания здоровой иммунной системы, а свекла не содержит глютен.

6. ПОЧЕМУ КЛЕТЧАТКА ТАК ВАЖНА?
Согласно международным европейским исследованиям и скандинавским рекомендациям по питанию ежедневное потребление 25-35 г клетчатки положительно влияет на здоровье. Исследования также показывают, что большинство людей не соблюдают эту норму. Протеиновый комплекс содержит большое количество клетчатки. Хочешь повысить содержание клетчатки в рационе? Добавь протеиновый комплекс в ежедневное меню.

7. В КАКИЕ БЛЮДА Я МОГУ ДОБАВИТЬ ПРОТЕИНОВЫЙ КОМПЛЕКС?
Протеиновый комплекс имеет нейтральный вкус и запах и не содержит искусственных подсластителей. Поэтому он не изменит вкус твоих любимых блюд или напитков. Принимай его отдельно или добавляй в супы, соусы, салаты, смузи или выпечку — во время приготовления или в готовое блюдо.

Что такое протеин, из чего он состоит и кому он нужен

Коктейль. Питание Фото: Pixabay

Протеин стал лидером среди спортивных пищевых добавок. Его повсеместно используют как профессиональные спортсмены, так и любители физической активности

Многие люди, активно занимающиеся спортом, употребляют протеин, который считают фундаментом спортивного питания. «Толк» разбирался, что он собой представляет и действительно ли так нужен.

Что такое протеин

Как пишет «Комсомольская правда», протеин – это концентрированная белковая структура, которая необходима для увеличения мышечной массы и физической силы. Спортивный протеин используют в качестве альтернативы натуральным продуктам из-за того, что он более выгоден по цене, удобен в использовании и содержит большое количество углеводов и жиров.

Чем полезен протеин и что дает?

Портал Sportivnoepitanie.ru объясняет, что протеин предотвращает потерею мышечной массы. Если получать недостаточное количество белка, процессы восстановления мышечной ткани не будут протекать на должном уровне. А протеин поддерживает нужный уровень белка и положительный азотный баланс.

Также он восполняет недостающее количество необходимых питательных веществ, если человек употребляет недостаточное количество мяса, молочных продуктов и рыбы или придерживается вегетарианства.

Кроме этого, протеин ускоряет восстановление после тренировки, так как увеличивает синтез белка, а еще обеспечивает крепость костей – многие продукты с содержанием протеина включают и необходимый организму кальций.

Вреден ли протеин?

По данным сайта Champion-club.ru, протеин можно употреблять в любом возрасте, и вреда здоровью он не наносит, так как производится из пищевого сырья. Белок, содержащийся в спортивных добавках, имеет естественное происхождение и физиологичен по отношению к организму человека.

Но нельзя забывать о дозировках: в белках много азота, который выводится из организма с мочой. При избыточном употреблении или недостаточной физической нагрузке протеин будет просто выводиться из организма, оказывая дополнительную нагрузку на почки.  

Осложнить употребление протеина может и индивидуальная непереносимость белка, из-за чего могут быть аллергические реакции и расстройство пищеварения. 

Новости фитнес-клуба POWERHOUSE GYM РЕУТОВ

30.11.2017

Производители протеиновых коктейлей предлагают современному человеку большой выбор высокобелковых смесей. Каждый человек должен подобрать продукт, который подходит ему оптимальным образом.
Протеин подбирают по нескольким параметрам. Откидываем все добавки, и остается выявить процентное соотношение углеводов и жиров в продукте. 

Следующим шагом остается определиться, с какой целью вы собираетесь употреблять высокобелковые смеси. Современный протеиновый коктейль имеет несколько разновидностей. 

Сывороточный протеин. 

· Имеет максимальную скорость усвоения, по сравнению с остальными продуктами. Кроме того, он на четверть состоит из аминокислот ВСАА. Это позволяет использовать данный вид протеина после тренировок, когда мышцам необходим строительный материал для восстановления. Чем чище сыворотка, тем выше ее стоимость. 

Изолят сывороточного протеина. 

· Считается самой чистой протеиновой сывороткой. В нем практически не содержится жира и углеводов, но и обходится дороже. Если вы стараетесь избегать лишних углеводов или находитесь на стадии сушки, то данный продукт незаменим. 

Гидролизат протеина. 

· Включает большее количество белковых фракций, которые разбиты на более мелкие компоненты. Это обеспечивает более быстрое усвоение продукта и поступление белков в мышцы. Гидролизный протеин принимают после тренировок, но это не дешевое удовольствие. 

Комплексный протеин. 

· Выгодно отличается от всех протеинов, так как является универсальным протеином из за содержания разных типов белка. Как правило, эти белки с разной скоростью усваивания — низкий, средний и высокий. Поэтому такие протеины имеют пролонгированное действие. Прием таких протеинов даст вашему организм непрерывный поток незаменимых аминокислот для восстановления и набора мышечной массы. 

Казеиновый протеин. 

· Усваивается организмом постепенно. На усвоение смеси уходит примерно 6 часов. Следовательно, на протяжении этого времени организм получает белок, который ему необходим. Если организм не получает протеина, то он начинает брать его из мышц, заменяя жиром. Когда необходимо увеличить содержание белка в рационе питания, казеиновый протеин становится оптимальным решением. 

Яичный протеин. 

· Изготавливается из яичного белка. Обычно он входит в состав продуктов, а как самостоятельный компонент встречается редко. 

Соевый протеин. 

· Ряд исследований указывает на то, что изолят соевого протеина влияет на выработку тиреоидных гормонов у человека. Идеально подходит для рациона вегетарианцев. 

Растительный протеин. 

· Очень популярен у вегетарианцев. В нем содержатся аминокислоты в достаточных количествах, чтобы поддержать развитие организма в целом. 

Готовый к употреблению протеин. 

· Для людей у которых нет времени на приготовления протеиновых коктейлей. Но онинуждаются в дополнительном источнике белка. Выпускается в разных видах и фасовках : тетра пак, бутылки, также бывает пудинг и в виде геля. 

Таблица времени усваивания белков. 

· 2-3 часа: яичный белок, ультра фильтрованный концентрат сывороточного белка, микрофильтрованный изолят сывороточного протеина. 

· 4-6 часа: концентрат молочного белка. 

· 6-8 часов: казеинат кальция, мицеллярный альфа-и бета-казеин и казеинаты.

Разработчики вычислительных белков

Разрабатывая белок с нуля, исследователи могут создавать молекулы с формами и функциями, которых нет в природе. Фото: Брайан ДалБалкон

Успех Кэсси Брайан в создании белка, который работал так, как она задумала, был долгим. Когда это наконец случилось, спустя шесть долгих лет, она отправилась в бар и отпраздновала это пивом и караоке-исполнением песни Джоан Джетт «Плохая репутация».

Брайан присоединился к лаборатории дизайна белков Дэвида Бейкера в 2012 году в качестве аспиранта Вашингтонского университета в Сиэтле.Ее проект заключался в разработке белка, который мог бы связываться с PD-1 — белком на поверхности лейкоцитов, подавляющим активность иммунной системы.

Сначала Брайан сделала то, что уже давно сделали белковые инженеры: она модифицировала существующий природный белок, чтобы заставить его связываться с PD-1. Но через два года после начала своего проекта она решила, что этот подход ни к чему не приведет. И взрыв интереса к PD-1 как к мишени для иммунотерапии рака в то время означал, что ее цели продолжали двигаться. Тем временем лаборатория становилась все более искусной в другом подходе. Вместо того, чтобы модифицировать природные белки в соответствии с конкретными потребностями, лаборатория Бейкера начала создавать белки с нуля.

Несмотря на то, что конструкция белка de novo значительно сложнее, чем обычная белковая инженерия, она имеет ряд преимуществ, говорит Брайан Кульман, инженер по белкам из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, который в 2003 году работал постдоком в Бейкере и руководил первой лабораторией . de novo success ¹ , молекула из 93 аминокислот под названием Top7. Природные белки трудно модифицировать, не нарушая их общей структуры.Но, создавая белки с нуля, исследователи могут разработать белки, которые будут более щадящими. Они могут создавать ферменты с неизвестной в природе активностью, используя кофакторы и аминокислоты, не входящие в стандартный набор макромолекул. И ученые могут проверить свое понимание биологии белков, чтобы убедиться, что они действительно понимают основы.

«Мы делаем все с нуля, — говорит Бейкер. «И это очень строгое правило в лаборатории: вам не разрешается начинать с чего-либо, что существует в природе, потому что мы хотели быть уверены, что все понимаем и проектируем все, исходя из первых принципов.

По большей части эти искусственные белки представляли собой то, что Бейкер называет «камнями» — сверхстабильные белки, такие как Top7, определенной формы, на которых могут основываться другие исследователи. Однако за последние несколько лет ученые стали еще более опытными в передаче функций, создавая все, от флуоресцентных и клеточных сигнальных белков до вакцин-кандидатов. Но в сообществе дизайнеров они составляют меньшинство — по оценке Бейкера, 95–99% белковой инженерии «по-прежнему осуществляется путем случайных мутаций и отбора».А разработка белка de novo часто требует недель вычислительного времени и месяцев итераций. Тем не менее, вычислительные достижения и расширение пользовательской базы делают этот процесс более доступным.

«Это потрясающее время для работы в этой области», — говорит Дональд Хилверт, химик-белок из Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе, который работал с Кульманом над созданием ферментов, называемых эстеразами. «Сочетание вычислений, структуры, молекулярной биологии, подробных биофизических измерений — все это сочетается таким прекрасным образом.

Это сложно

Сложный фолдинг белков. Построенные в виде длинных цепочек аминокислот, вновь образованные белки быстро складываются в определенную складчатую форму, от которой молекулы получают свою функцию. Исследователям давно известно, что последовательность белка определяет его форму. И они могут экспериментально определить эту форму с помощью рентгеновской кристаллографии и криоэлектронной микроскопии. Чего они не могли сделать, так это предсказать форму только по последовательности.

Это потому, что структура белка определяется несколькими конкурирующими силами.Белок представляет собой длинную цепочку из углерода, азота, кислорода и водорода, с боковыми цепями аминокислот, свисающими, как подвески на молекулярном браслете. Однако молекула не может принять любую форму — возможности ограничены, поскольку различные части белка соперничают за положение и уравновешивают силы притяжения и отталкивания. Хитрость в прогнозировании сворачивания белков заключается в том, чтобы рассчитать эти силы и, следовательно, точные углы, под которыми будут образовываться белковые связи.

Кэсси Брайан из Вашингтонского университета создала белок, который связывается с белком клеточной поверхности PD-1.Кредит: Брайан ДалБалкон

Лаборатория Бейкера использует набор инструментов молекулярного моделирования и поиска под названием Rosetta, которые могут вычислять энергию свернутого белка и искать последовательность с наименьшей энергией для данной структуры или структуру с наименьшей энергией для данной последовательности. Бейкер разработал Rosetta в конце 1990-х как инструмент для прогнозирования структуры. С тех пор программное обеспечение постоянно совершенствуется как членами его лаборатории, так и сообществом из нескольких сотен пользователей под названием Rosetta Commons, чтобы улучшить его производительность и возможности.

Например, в проекте по разработке коротких кольцевых пептидов, называемых макроциклами, которые могут обладать антибиотическими и противораковыми свойствами, постдоки лаборатории Baker Париса Хоссейнзаде, Гаурав Бхардвадж и Викрам Маллиган (который сейчас работает в Фонде Саймонса в Нью-Йорке) сотрудничали ² , чтобы научить Розетту обращаться с d-аминокислотами. Это химические зеркальные отражения остатков «l», используемых клетками, и поэтому они обладают разными свойствами. Протеиновый дизайнер Нил Кинг, выпускник лаборатории Бейкера, который до сих пор работает в Вашингтонском университете, модифицировал Rosetta для разработки самособирающихся белковых наночастиц.

Хотя каждый проект de novo в его лаборатории отличается, Бейкер говорит, что все они следуют одной и той же базовой стратегии. Во-первых, определитесь с желаемым классом структур — «платоновским идеалом» формы, как он выразился. Затем с помощью Rosetta спроектируйте десятки тысяч потенциальных конформаций основной цепи, соответствующих этой форме, дополните их остатками боковых цепей и проверьте, будут ли рассчитанные последовательности складываться в желаемую форму. Наконец, синтезируйте гены, которые будут выражать лучшие конструкции, тестируйте, итерируйте и повторяйте.

«Только очень небольшая часть возможных конфигураций остова действительно поддается проектированию, — говорит Бейкер. И исследователям, возможно, придется просмотреть миллионы возможностей и десятки физических белков, прежде чем выбрать подходящего кандидата. Зибо Чен, выпускник лаборатории Бейкера, который сейчас работает в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене, проанализировал около 87 миллионов скелетов, чтобы определить 2251 конструкцию, способную к межбелковому взаимодействию. Вычисление заняло около шести недель на нескольких сотнях процессорных ядер.

Вдохновленный ДНК-оригами, в котором молекулы ДНК складываются в наноструктуры, Чен хотел определить стратегии образования водородных связей, которые позволили бы ему создавать идеально ортогональные пары белков (белки, которые будут взаимодействовать только с определенным искусственным партнером, но не с другими). белки с аналогичной конструкцией). Такие белки можно использовать для создания новых биосенсоров, генетических цепей или просто причудливых форм. По его словам, Чен присоединился к лаборатории отчасти потому, что хотел посмотреть, сможет ли он воссоздать с помощью белка то, что ДНК-нанотехнологи сделали с помощью нуклеиновых кислот: макромолекулярный смайлик в виде смайлика. Ранее в этом году Чен описал первый шаг к такой конструкции: самособирающийся двумерный массив ³ . «Я довольно наивно относился к тому, чего смогу достичь за пять лет, — говорит он.

Брайан разработал свой белок — все 46 аминокислот, крошечный по белковым меркам — для взаимодействия с PD-1 и, надеюсь, его регуляции. Белок, по ее словам, представляет собой просто плоскую поверхность — β-лист, окруженный единственной стержнеобразной α-спиралью. В мультяшном виде он напоминает старомодный утюг, используемый для глажки одежды.«Спираль похожа на ручку, а фактический функциональный конец — это железо, которое прилипает к рецептору», — объясняет она.

Брайан сначала попыталась модифицировать существующий белок, чтобы он принял такую ​​форму, но обнаружила, что не может производить белок в пригодной для использования форме. Итак, вдохновленная известной структурой связывания PD-1 с его естественным лигандом PD-L2, она идентифицировала три важных остатка, закодировала их положения в Rosetta и приказала программному обеспечению создать белок, который будет его поддерживать. Она расширила основную петлю на пять аминокислот, чтобы улучшить связывание с мишенью человека.И используя стратегию высокопроизводительного скрининга, основанную на проточной цитометрии (метод клеточного анализа) и секвенировании ДНК, она протестировала каждый вариант аминокислоты в каждом положении, чтобы подтолкнуть структуру к еще более сильным взаимодействиям. На пути к разработке своего белка Брайан получила ученую степень, несмотря на трехлетний перерыв, когда она поняла, что ее сконструированный белок не может взаимодействовать с человеческим аналогом из-за некоторых важных модификаций сахара.

Наконец, Брайан совершил прорыв: белок связался с лимфоцитами в проточном цитометре.По ее словам, с таким количеством взлетов и падений Брайан скептически относился к тому, чтобы читать слишком много в каком-либо одном эксперименте. Но данные о потоках, предоставленные ее коллегами-иммунологами, заставили ее поверить. «Именно эти сотрудники-иммунологи очень хорошо знают Т-клетки, и они говорят мне, что на настоящих человеческих Т-клетках от реальных людей мы видели такой сильный эффект, которого раньше не наблюдалось с подобными молекулами».

Кинг, разработавший самособирающуюся наночастицу, которая может служить потенциальной вакциной против респираторно-синцитиального вируса ⁴ , описывает переход молекулы от концепции к реальности как нечто сюрреалистичное.«Ты выдумываешь», — говорит он. «Это буквально компьютерная фантазия. И когда это действительно работает в реальном мире, это просто волшебно».

Итак, Брайан отпраздновал, как она говорит, пивом и Джоан Джетт.

Проектирование для функции

На данный момент белковые инженеры мало что могут сделать, говорит Бейкер — по крайней мере, с точки зрения формы. Но большинство белков существуют не просто для того, чтобы принимать определенную форму; это функция, которая имеет значение.

Функция, такая как способность катализировать химическую реакцию, усложняет конструкцию, говорит Хоссейнзаде, потому что добавляет к проблеме новые переменные.«Когда я выбираю форму, меня волнует только общая энергия», — говорит она. «Но когда вы проектируете функцию, учитываются и некоторые другие вещи — например, хорошо ли эта молекула контактирует с поверхностью белка, на которую я хочу нацелиться? Расположены ли боковые цепи таргетинга в правильном месте? И покрывает ли он поверхность [взаимодействия]?»

Когда Анастасия Воробьева, постдоктор в лаборатории Бейкера, и Джиайи Доу, которая сейчас работает в Стэнфордском университете в Калифорнии, решили создать аналог зеленого флуоресцентного белка de novo , два исследователя пришли к проекту с разными целями. Воробьева хотела создать β-ствол, распространенный структурный мотив, который еще предстояло создать с нуля; Доу хотел создать белок, который мог бы стабилизировать небольшую молекулу, такую ​​как флуорофор.

β-ствол представляет собой структуру, в которой один край β-листа соединяется с другим, образуя полую пору или карман. Но создавать их особенно сложно, говорит Воробьева, потому что отдельные нити листа липкие; если белок не спроектирован именно так, он превратится в бесполезную кашу.

Перед Воробьевой стояла задача создать ствол с плавно изогнутой поверхностью. Но этот дизайн вызвал неожиданную нагрузку на пептидный остов. Несколько хорошо расположенных остатков глицина придали квадратное поперечное сечение, но сняли напряжение, достаточное для того, чтобы конструкция увенчалась успехом. Воробьева показала это с помощью кристаллической структуры, близко соответствующей ее концепции ⁵ . «Это был последний сильнейший эксперимент, который показал, что мы все делаем правильно», — говорит она.

Чтобы сделать белок функциональным, Доу воспроизвел оригинальный дизайн Воробьевой, но с дополнительными ограничениями для стабилизации флуоресцентной молекулы.Она работала с научным сотрудником лаборатории Baker Уиллом Шеффлером, который разрабатывал новый модуль Rosetta для изучения возможных конформаций связывания небольшой молекулы, связанной с белком. Доу сбалансировал стабильность и функциональность, преднамеренно ограничив флуорофор верхней частью ствола. Доу идентифицировала 2102 дизайна-кандидата и синтезировала 56. Два из них флуоресцировали в присутствии флуоресцентного субстрата, один из которых Доу дополнительно модифицировала, чтобы максимизировать яркость и подтвердить свой дизайн — усилия, которые включали тестирование около 2090 вариантов генов.

Трехмерная модель белка. Последовательность аминокислот в белке определяет его форму. Предоставлено: Ян Хейден / Институт дизайна белков,

.

Дизайн белка почти всегда включает отбор и итерацию, отмечает Линн Риган, химик-протеин из Эдинбургского университета, Великобритания. Исследователи пока не могут сесть за компьютер и разработать белок, который связывает другую молекулу, и сделать это правильно с первого раза; они должны сделать что-то, что в какой-то степени работает, а затем улучшить это.

Отчасти это связано с тем, что исследователи все еще изучают тонкости сворачивания белков. Бейкер отмечает, например, что Розетта зависит от своей «энергетической функции» — модели, которая оценивает энергию, связанную с каждой структурой. Но только потому, что программа говорит, что молекула примет определенную форму, не означает, что так оно и будет на самом деле. Шэрон Гаффи, специалист по белкам в биотехнологической компании Pairwise в Дареме, Северная Каролина, работавшая вместе с Кульманом в аспирантуре, говорит, что изо всех сил пыталась заставить Розетту правильно учитывать электрические свойства цинка (и его влияние на близлежащие боковые цепи) при создании белок, связывающий металл.«Это стоило мне как минимум месяца или около того» на кодирование и устранение неполадок, — говорит она.

В Калифорнийском университете в Сан-Франциско Марко Мравич, аспирант лаборатории белкового инженера Уильяма ДеГрадо, сосредоточил свои исследования на мембранных белках, в частности на их сборке в более крупные комплексы. Он решил изучить сердечный белок под названием фосфоламбан, который состоит из пяти идентичных пронизывающих мембрану спиралей. Что это, хотел знать Мравик, заставляет эти спирали собираться так точно?

Часть проблемы была структурной.На самом деле никто не знал, как выглядит фосфоламбан. Мравик провел молекулярно-динамическую симуляцию белка, которая показала, что сложные выступы открываются с одного конца, как банановая кожура. «Это похоже на то, что эта симуляция выглядит неправильно», — говорит Мравик. «Поэтому я просто вошел в молекулу и «исправил» ее».

Заменив две влаголюбивые аминокислоты на более благоприятные для мембран остатки, Мравик создал более плотно упакованный вариант, что он продемонстрировал, решив кристаллическую структуру. Затем он определил особенности, которые позволили этой упаковке произойти, идентифицировав то, что он назвал «стерическим кодом» — конфигурация четырех аминокислот на поверхности спирали, которая позволяет ключевым боковым цепям переплетаться, как молния.Затем Мравик использовал этот код для разработки синтетических производных, которые имеют структуру, аналогичную фосфоламбану ⁶ .

Структурные основы

Помимо нюансов сворачивания белков, конструкция de novo позволяет исследователям раздвинуть границы возможностей белков. Например, в Бирмингемском университете в Великобритании химик Анна Пикок изучает металлопептиды — миниатюрные белки, связывающие ионы металлов. В биологии такие молекулы обычно связывают цинк, марганец или медь — «вещи, растворенные в морской воде», — говорит она.Но другие металлы могут позволить другую химию.

Пикок использовал белки de novo в качестве каркасов для создания молекул, способных связывать гадолиний, комплексы которых обычно используются в качестве контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии. Она также создает ферменты, которые могут использовать такие металлы, как платина или иридий, для изучения реакций, не встречающихся в природе. «Лично я не вижу смысла в том, чтобы искусственный металлопротеин выполнял ту же химию, что и фермент, — говорит она.

По мере достижения каждой цели дизайна другим становится легче подражать им. Лаборатория Baker даже разработала игровой онлайн-интерфейс для Rosetta под названием FoldIt, который предлагает игрокам (немногие из которых являются учеными) создавать белки in silico . В исследовании этого года, анализирующем их работу ⁷ , игроки справились. По словам Бейкера, они разработали новый дизайн «полностью с нуля», в том числе один изгиб, которого раньше никто не видел.

Конечно, у немногих ученых есть время или опыт для разработки белка с нуля; для них проекты de novo являются основой для дальнейшего развития.Но в лаборатории Бейкера работа над дизайном продолжается. Каждый успех лаборатория празднует. Для постдоков и студентов, которые выполняют эту работу, по словам Бейкера, эйфория «длится довольно долго. Для меня это длится день или два, а потом проходит, и я думаю: «Хорошо, что мы будем делать дальше?»

Иммунный белок может предотвратить тяжелое течение COVID-19, если его ввести в нужное время и смертельные случаи.Ранее в этом году журнал Scientific American

объяснял, как может помочь введение противовирусного белка, называемого интерфероном, в нужное время.

Когда иммунная система борется с вирусами, время играет ключевую роль. И это правило может быть особенно верно для его защиты от смертельно тяжелой формы COVID-19.

Несколько новых исследований иммунного ответа на SARS-CoV-2, вирус, вызывающий заболевание, показывают, что время может иметь решающее значение для класса белков, известных как интерфероны, которые исследуются в качестве потенциальных методов лечения.Эти иммунные белки подавляют репликацию вируса на ранних стадиях заболевания. Тем не менее, если они активируются позже, некоторые ученые считают, что они могут усугубить вредное воспаление, которое вынуждает некоторых пациентов с COVID-19 подключаться к аппарату жизнеобеспечения. Интерфероны — это «палка о двух концах», — говорит иммунолог Эуи-Чеол Шин из Корейского передового института науки и технологий.

Исследователи изучали оба лезвия этого меча. Около десяти лет назад, когда Шин изучал вирусное заболевание гепатит С, интерфероны использовались в качестве стандартного лечения.Но изучение некоторых условий показало, что их не следует использовать. Например, исследователей в Париже обнаружили, что слишком большое количество белков может привести к заболеванию, известному как детская интерферонопатия. В некотором смысле каждое из этих двух восприятий интерферонов правильно. И понимание того, когда и в какой степени их использование оправдано, может стать решающим фактором в лечении COVID-19.

Исследователи в Париже проанализировали кровь 50 человек с различной степенью тяжести COVID-19 и 18 здоровых людей. Они определили, что у тяжелобольных пациентов было более низкое общее количество лимфоцитов (разновидность лейкоцитов). Используя методы анализа активности генов на широкой основе и измерения конкретных белков, можно выделить две тенденции: по сравнению с пациентами с более легкими формами заболевания у людей с тяжелой формой COVID-19 наблюдалась преувеличенная воспалительная реакция в сочетании с заметным снижением уровня интерферонов. А среди тяжелых пациентов с COVID-19 дефицит интерферона был хуже у тех, кто умер, по сравнению с теми, кто стабилизировался, сообщила команда 13 июля в Science .

«Мы были удивлены», — говорит Бенджамин Терье, клиницист-исследователь из больницы Кошен в Париже, , который был одним из старших авторов исследования. «Это не было нашей гипотезой». Анализ, опубликованный в выпуске Cell от 28 мая исследователями из Медицинской школы Икана на горе Синай, выявил аналогичную двойную характеристику: низкий уровень интерферона и повышенный уровень воспалительных белков.

Между тем, в другом новом исследовании Шин и его коллеги использовали секвенирование одноклеточной РНК для анализа активности генов в иммунных клетках.Они проанализировали образцы крови восьми пациентов с легкой или тяжелой формой COVID-19, четырех здоровых доноров и пяти человек с тяжелой формой гриппа — всего более 59 000 клеток. Исследователи использовали компьютерные алгоритмы для сравнения РНК отдельных клеток и ожидали, что паттерны будут группироваться по типам клеток. То есть они ожидали, что Т-клетки, лимфоциты, которые координируют иммунный ответ или убивают вторгшиеся патогены, будут очень похожи, независимо от того, были ли они взяты у пациентов с COVID-19 или гриппом.Но это не так. Вместо этого клеточные профили сгруппированы по заболеваниям. Например, Т-клетки у пациентов с COVID-19 не были похожи на Т-клетки у людей с гриппом. Скорее они больше походили на В-клетки COVID-19, говорит Шин.

Это любопытное наблюдение побудило его команду искать молекулы, которые могли бы служить общим медиатором, влияющим на различные иммунные клетки. Сравнивая профили активности генов, исследователи впервые заметили дихотомию гриппа и COVID: клетки гриппа показали более высокую активность генов, регулируемых интерферонами, тогда как воспалительные гены, управляемые так называемым фактором некроза опухоли (TNF) и интерлейкином-1 бета (IL-1β). преобладает при COVID-19.Затем они сравнили тяжелые и легкие образцы COVID-19 и сосредоточились на определенном пуле иммунных клеток, называемых моноцитами. У пациентов с тяжелым течением COVID-19 эти клетки первого защитника имели повышенную активность в интерферон-стимулируемых генах в дополнение к воспалительным генам TNF/IL-1β. Но моноциты легкой степени COVID-19 имели только сигнатуру TNF/IL-1β, сообщили Шин и его коллеги 10 июля в журнале Science Immunology .

На первый взгляд, недавние французские и южнокорейские статьи, казалось, пришли к противоречивым выводам: у тяжелобольных пациентов с COVID-19 наблюдался более слабый ответ интерферона в анализе Терье и его коллег и более высокая активность интерферона в исследовании Шина и его коллег. Разница может заключаться в технике и времени. Французские исследователи проанализировали РНК в образцах, содержащих смеси иммунных клеток, в то время как южнокорейская команда секвенировала РНК в отдельных клетках и наблюдала различия в интерфероне в моноцитах. Но поскольку моноциты составляют лишь десятую часть от общего количества лейкоцитов, повышенный сигнал в этой популяции может быть скрыт другими клетками в массовых образцах французской команды, предполагает Шин.

Однако есть и другая сторона медали.Множественные иммунные клетки продуцируют интерфероны и, по-видимому, находятся под влиянием белков. Тем не менее, профилирование отдельных клеток корейской командой рассматривало только влияние интерферонов на моноциты. «Каково влияние изменения в популяции одной маленькой клетки на всю систему? Это действительно сложно интерпретировать», — говорит Терье.

«Реакция интерферона немного сложна», — говорит Рудрагуда Чаннаппанавар, вирусный иммунолог из Центра медицинских наук Университета Теннесси, который не участвовал в новых исследованиях. Реакция защищает организм от инфекций, препятствуя репликации вируса. «Тело нуждается в этом, без сомнения», — говорит он. «Но вирусы умны. У них есть несколько белков, которые могут противодействовать и подавлять ранние реакции интерферона». Один из собственных защитников SARS-CoV-2, вирусный белок под названием Nsp1, может остановить выработку клетками-хозяевами иммунных молекул, включая интерфероны, сообщили исследователи из Мюнхена 17 июля в журнале Science .

В более ранних исследованиях со Стэнли Перлманом из Университета Айовы, Чаннаппанавар проанализировал мышиные модели на наличие коронавирусов, вызывающих тяжелый острый респираторный синдром (ТОРС) и ближневосточный респираторный синдром (БВРС).Эти исследования показали, что «если ответ интерферона начнется до пика репликации вируса, у нас будет защитный иммунитет», — говорит он. Однако, если вирусы препятствуют этой противовирусной защите, отсроченный ответ интерферона становится патогенным, вызывая слишком много моноцитов, которые выделяют воспалительные молекулы и вызывают повреждение тканей. «Ключом является относительное время действия интерферона и репликации вируса», — говорит Чаннаппанавар.

Полученные данные свидетельствуют о том, что интерфероны играют важную роль в начальной фазе инфекции.«Если вы дадите интерферон на ранней стадии, вы действительно можете усилить противовирусный ответ. Именно здесь вы получаете наибольшую пользу», — говорит Мириам Мерад, которая руководит Институтом точной иммунологии в Медицинской школе Икана на горе Синай и не участвовала в новом исследовании. Если у человека с COVID-19 уже развилось воспаление, «и вы идете и даете интерферон, вы только усугубите ситуацию», – говорит она. В открытом предварительном исследовании в Китае капли для носа с интерфероном предотвращали заболевание у медицинского персонала из группы риска, который лечил инфицированных людей.Ранние неопубликованные данные пациентов с COVID-19, госпитализированных в Великобритании, предполагают, что интерфероны, вдыхаемые непосредственно в легкие, сокращают пребывание в больнице и увеличивают шансы на выздоровление. И рандомизированное исследование в Иране проверяет, могут ли белки улучшить базовый терапевтический режим у пациентов с COVID-19 от средней до тяжелой степени.

Узнайте больше о вспышке коронавируса от Scientific American здесь . И читайте репортажи из нашей международной сети журналов здесь.

Исследователи переносят человеческий белок в растения, чтобы увеличить их размер | Инновация

Пересадка человеческого белка, известного своей способностью стимулировать рост, в сельскохозяйственные культуры может привести к более крупным, тяжелым и обильным растениям. jxfzsy / Getty Images

Каждый год 9 миллионов человек в мире умирают от голода — это больше, чем смертность от СПИДа, малярии и туберкулеза вместе взятых. Но решение глобального кризиса голода не так просто, как наращивание сельскохозяйственного производства.

Во-первых, сельское хозяйство имеет значительный углеродный след, ежегодно выделяя от 10 до 20 процентов глобальных парниковых газов. Затем чрезмерное использование химикатов сеет устойчивость к вредителям и патогенам, которые эти вещества должны убить, что затрудняет искоренение связанных с ними болезней для фермеров в следующий раз. Сток от удобрений также может загрязнять водные пути.

Недостаточно выращивать больше еды — человечество должно расти более эффективно.

Стремясь устойчиво кормить растущее население мира, исследователи из Китая и США.С., возможно, нашел остроумное решение — в виде увеличенных посевов. Согласно новому исследованию Nature Biotechnology , трансплантация человеческого белка, известного своей способностью стимулировать рост, в сельскохозяйственные культуры может привести к более крупным, тяжелым и обильным растениям, повышая урожайность сельскохозяйственных культур на колоссальные 50 процентов. Хотя результаты являются многообещающими, эксперты говорят, что необходимо провести дополнительные исследования, чтобы проверить их сельскохозяйственный характер и убедиться, что успехи воспроизводятся.

Оснащенные генетическим механизмом для производства белка человеческого роста, растения картофеля могут производить более крупные клубни (справа).Масштабная линейка обозначает 4 дюйма. Цюн Ю и др. др.

«Мы считаем, что это очень хорошая стратегия для выращивания наших культур», — говорит автор исследования Гуйфан Цзя, химик-биолог из Пекинского университета в Пекине, Китай. Но она признает, что «эта статья является первоначальным исследованием». Она хочет провести еще много дополнительных тестов, включая оценку безопасности, прежде чем потрясающие продукты команды смогут оказаться на обеденных столах обычных потребителей.

Белок, ответственный за необычайный всплеск роста растений, — это человеческий жир и белок, связанный с ожирением, называемый FTO.Хотя связанный с ним ген имеет плохую репутацию из-за увеличения риска ожирения, исследователи ранее сообщали, что этот белок важен для регуляции роста у людей и других млекопитающих. По словам исследователей, FTO химически модифицирует нити РНК, которые представляют собой короткие генетические рецепты для отдельных белков, скопированные прямо из учебника ДНК. Эта модификация заставляет РНК производить белок, который она кодирует. По сути, FTO действует как главный выключатель, который увеличивает широкое производство белка на нескольких цепях РНК.

Несколько авторов исследования потратили десятилетие на изучение роли FTO у людей. Исследователи задались вопросом, что произойдет, если этот белок, нацеленный на РНК и стимулирующий рост, попадет в растения.

«Это [была] действительно смелая и странная идея», — говорит автор исследования Чуан Хе, химик из Чикагского университета. Организм человека производит десятки из 90 189 тысяч 90 190 белков, и первым, что его группа опробовала на растениях, был FTO. «Честно говоря, мы, наверное, ожидали каких-то катастрофических последствий.

У растений нет FTO-эквивалентного белка, говорит Хе. Химик подозревает, что растения обычно держат рост под жестким контролем, чтобы ни одна молекула не могла в одиночку нанести ущерб физиологии растения. Но перед лицом чужеродного белка, Он говорит, растениям не хватает каких-либо сдержек и противовесов, чтобы смягчить последствия, какими бы они ни были. К удивлению исследователей, FTO не убивает и не калечит растение. Вместо этого он заставляет растения делать прямо противоположное: увеличивать размер.

«[FTO] приходит, и нет никаких ограничений на то, куда он может получить доступ, — говорит Хе. «Это бомба».

Исследователи имплантировали человеческий ген FTO в геномы рисовых культур, позволив белковым механизмам растений взять на себя управление и самостоятельно производить эту человеческую молекулу. В теплице генетически модифицированные культуры дали в три раза больше риса, чем необработанные растения. Выращенные на полях в Пекине растения риса были на 50 процентов тяжелее и продуктивнее.Та же самая генетическая модификация также увеличила размеры клубней растений картофеля. Растения, обработанные FTO, также имели более длинные корни, демонстрировали более высокий уровень фотосинтеза и были более устойчивыми к засухе.

Каждый вид растений, измененных исследователями, включая траву и деревья, рос быстрее и больше. «Этот фенотип [признак] постоянно присутствует в любом растении, которое мы проектируем», — говорит Цзя.

Рисовые заводы, оборудованные FTO, как показано справа, дают более обильные урожаи. Масштабная линейка обозначает четыре дюйма.Цюн Ю и др.

Несмотря на свои обещания, генетическая модификация не смогла надежно повысить урожайность сельскохозяйственных культур более чем на 10 процентов. Рост растений сложен с генетической точки зрения — просто нет ни одного гена, который можно было бы настроить. Невероятный процент увеличения в исследовании поражает, почти невероятно, и другие исследователи растений рекомендуют проявлять осторожность, прежде чем возлагать какие-либо надежды и приписывать больше силы белку.

«Что необычно в стратегии, изложенной в этой статье, так это то, что нет причин ожидать, что она будет успешной», — говорит Дональд Орт, биолог растений из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн, который не участвовал в исследовании. изучать.Наука обычно шагает вперед, опираясь на хорошо изученные теории, говорит Орт. Но авторы исследования, похоже, сделали шаг в темноту и наткнулись на золото. «Я предполагаю, что они были очень удивлены», — говорит он.

Выдающееся процентное увеличение урожайности, полученное в ходе исследования, намного выше, чем всплески в несколько процентных пунктов, которые обычно выжимают другие исследователи, говорит Роберт Сабловски, биолог растений из Центра Джона Иннеса в Великобритании, который не участвовал в исследовании.

«Конечный урожай урожая — это генетически очень сложный признак, — говорит он.Растения постоянно меняют приоритеты между увеличением массы или укреплением своей защиты от болезней и периодами неблагоприятных условий роста. Окружение растения обычно имеет большое значение при определении конечного урожая, но результаты исследования, похоже, перевешивают большинство этих влияний. «Из-за всех этих компромиссов очень необычно читать отчет об очень высоком увеличении урожайности с помощью простого генетического изменения», — добавляет Сабловски. — Но это возможно. Он говорит, что хотел бы увидеть результаты, воспроизведенные в различных условиях окружающей среды, и лучше понять, как человеческий белок FTO переворачивает с ног на голову тщательно откалиброванную внутреннюю работу растения.

Только по абсолютным цифрам растения риса и картофеля, модифицированные FTO, о которых сообщалось в исследовании, имеют более низкую урожайность, чем коммерческие сорта, говорит Орт. Только если тот же прием FTO повысит продуктивность этих и без того высокопроизводительных сортов, тогда это станет настоящим прорывом. «Потенциальное значение этого для сельского хозяйства еще предстоит доказать», — говорит Орт.

И Орт, и Сабловски настроены осторожно оптимистично, потому что путь вперед ясен: повторить эксперименты в другом месте и с лучшими сортами сельскохозяйственных культур, которые может предложить человечество.

Джиа и Хэ уже в погоне — они работают с фермерами и глубже исследуют генетические механизмы. Но эти эксперименты потребуют времени, говорит Цзя. Ее команда потеряла вегетационный период из-за закрытия лабораторий в прошлом году из-за пандемии. По ее оценкам, ее команде потребуется несколько лет, чтобы собрать достаточно семян от горстки генетически измененных родителей, чтобы засеять целые поля их потомством.

Команда также экспериментирует с другими нерастительными белками. До сих пор они пробовали еще одного кандидата, но не увидели такого же увеличения урожайности, как от белка FTO.«Я подозреваю, что это, вероятно, не сработает», — говорит Хе о других белках. Регуляторные пути растений обычно надежны; нечасто ученые находят в своем коде ошибку, которая приводит к биологическому бедламу. «Я думаю, что FTO очень особенный», — говорит Хе.

Сельское хозяйство Еда Наука о еде Генетика Голод Инновации во благо Растения устойчивость

Рекомендуемые видео

Код минимальной последовательности для переключения структуры и функции белка

Реферат

Мы представляем здесь структурное и механистическое описание того, как белок меняет свою структуру и функцию, мутация за мутацией. Наш подход состоял в том, чтобы создать 2 белка, которые ( и ) стабильно свернуты в 2 разные складки, ( ii ) имеют 2 разные функции и ( iii ) очень похожи по последовательности. В этом упрощенном пространстве последовательностей мы исследуем мутационный путь от одной складки к другой. Мы показываем, что IgG-связывающая 4β+α-складка может быть преобразована в альбумин-связывающую 3-α-складка посредством мутационного пути, при котором ни функция, ни нативная структура полностью не утрачиваются. Оценивается стабильность всех мутантов на этом пути, ключевые структуры с высоким разрешением определяются с помощью ЯМР и дается объяснение механизма переключения.Мы показываем, что конформационное переключение со структуры 4β+α на структуру 3-α может происходить посредством замены одной аминокислоты. С одной стороны от точки переключения складка 4β+α заселена >90% (pH 7,2, 20 °C). Единственная мутация переключает конформацию на 3-α-укладку, которая заселена> 90% (pH 7,2, 20 ° C). Далее мы показываем, что в точке переключения существует бифункциональный белок, обладающий сродством как к IgG, так и к альбумину.

Белковые молекулы способны к самоорганизации в трехмерные топологии, которые создают биологические функции.Однако фундаментальные принципы того, как последовательность аминокислот в белке определяет его структуру, остаются плохо изученными, несмотря на его центральную важность для биологии. Основной подход к «проблеме сворачивания» заключался в определении подробного структурного и энергетического описания равновесия между естественным состоянием и случайным населением неупорядоченных, развернутых состояний. Хорошо известно, что равновесие между свернутым и развернутым может быть радикально смещено в любом направлении с помощью нескольких мутаций.Однако накапливаются доказательства того, что несколько мутаций иногда могут резко сместить равновесие в сторону новых третичных (и/или четвертичных) структур (1, 2). Понимание способности белка приобретать совершенно другую структуру в результате незначительного мутагенного воздействия является центральным для понимания как укладки белка в целом, так и, в частности, того, как развиваются новые структуры и функции белка. Большинство природных белков значительно заселяют только нативное состояние, при этом ΔG _{разворачивается} ≥5 ккал/моль.Также обычно предполагается, что для смещения равновесия требуется много мутаций, так что ΔG _{разворачивается} для некоторого альтернативного состояния ≥5 ккал/моль. Фактически, это предположение лежит в основе большинства методов биоинформатики. Большинство мутаций в белке, которые увеличивают его склонность к альтернативной укладке, дестабилизируют исходную укладку. Таким образом, кажется интуитивно понятным, что путь замены одной аминокислоты приведет к длинной серии мутантов, которые будут развернуты до того, как накопится достаточно информации о сворачивании, чтобы значительно заполнить альтернативную складку.Однако как природные, так и сконструированные примеры демонстрируют, что пространство последовательностей, разделяющее 2 белка с разными структурами, может быть весьма небольшим (3–5). Чтобы понять эту, казалось бы, парадоксальную ситуацию, нужно методично исследовать пространство последовательностей, разделяющее 2 устойчивые складки. По идее это просто. Один начинается с двух стабильных белков одинакового размера, но разных складок, и мутирует один, чтобы он был больше похож на другой, пока не произойдет переключение в структуре. Однако на практике такой подход не тривиален.Любая мутация в белке изменит контекст других аминокислот. В этом суть проблемы складывания. Таким образом, наш подход заключался в создании упрощенного пространства последовательностей, в котором можно исследовать путь мутаций от одной складки к другой, а сдвиги в равновесии между двумя свернутыми состояниями (и развернутыми состояниями) можно измерить как функцию мутации.

Ранее мы и другие исследователи изучали структуру, укладку и стабильность 2 связывающих доменов белка G Streptococcus (6).Белок G содержит 2 типа доменов, которые связываются с белками сыворотки крови: домен G _A из 45 структурированных аминокислот, которые связываются с человеческим сывороточным альбумином (HSA) (7, 8), и домен G _B из 56 аминокислот. структурированные аминокислоты, которые связываются с константной (Fc) областью IgG (9, 10). Природные версии доменов G _A и G _B не имеют существенной гомологии последовательностей и имеют разные складки, 3-α и 4β+α, соответственно. Благодаря этим исследованиям мы смогли создать версии G _A и G _B с высокой идентичностью, которые обладают стабильностью и функцией связывания дикого типа, но идентичны на 77%.Эти белки обозначены G _A 77 и G _B 77. G _A 77 связывается с HSA с K _d = 100 нМ и имеет ΔG _{разворачивания} , равное 5 ккал/моль (20 °C, 0,1 М КПО ₄ , рН 7,2) (11). Аминокислоты 1–8 и 54–56 неупорядочены в G _A 77. Остальные 45 а.о. хорошо упорядочены в пучке 3-α спирали (12). G _B 77 связывается с константной (Fc) областью IgG с K _d = 100 нМ и имеет ΔG _{разворачивания} , равное 5 ккал/моль (20 °C, 0.1 М КПО ₄ , рН 7,2) (13, 14). Все 56 а.о. G _B 77 хорошо упорядочены в 4-цепочечном β-слое с α-спиралью, соединяющей нити 2 и 3 (12). Белки были сконструированы таким образом, что эпитопы, связывающие IgG и HSA, кодируются в обоих белках. IgG-связывающий эпитоп функционален в 4β+α-укладке и латентен в 3-α-укладке, тогда как альбумин-связывающий эпитоп функционален в 3-α-укладке и латентен в 4β+α-укладке. В результате получается экспериментальная система, в которой раскрытие латентной функции связано с переключением конформации (рис.1). Эта работа описана в ссылках. 3, 4, 11, 12 и 15. Тот факт, что G _A 77 и G _B 77 настолько близки в пространстве мутаций, значительно упрощает последующие поиски разделяющего их пространства последовательностей. Проблема контекста не устраняется, но сводится к практическому уровню. Это позволило систематически исследовать пространство последовательностей, разделяющее эти две функциональные складки.

Результаты

Положения неидентичности между белками G _A 77 и G _B 77 показаны на рис. 1. Наш подход заключался в исследовании пространства бинарных последовательностей (выбор аминокислот G _A или G _B в неидентичных положениях). Очевидно, что 13 последовательных замен соответствующей аминокислоты в неидентичном положении в любом порядке приведут к конформационному переключению. Однако поиск пути с наименьшим количеством неструктурированных промежуточных звеньев требовал систематического подхода. Сначала мы проанализировали все 13 мутантов с одним сайтом в G _A 77 и G _B 77.Нам удалось получить и очистить свернутые белки примерно для половины этих мутантов. Белки очищали с использованием разработанной нами системы меток аффинного расщепления (16), по существу, как описано в ссылке. 3. Система обеспечивает быструю стандартизированную очистку мутантных белков даже с низкой стабильностью. Мутанты характеризовались круговым дихроизмом (CD) для оценки вторичной структуры (рис. S1), термической денатурацией с помощью CD для оценки стабильности (рис. S2), способностью связывать HSA и IgG для оценки функции и двумерной гетероядерной одиночной квантовой корреляцией. (HSQC) спектры с использованием ЯМР для оценки третичной структуры.Мономерное состояние устанавливали с помощью эксклюзионной хроматографии и многоуглового лазерного рассеяния. Структуры высокого разрешения определяли стандартными для ключевых белков методами 3D ЯМР. Средние точки термической денатурации (T _M ) (0,1 М KPO4, pH 7,2, 20 °C) приведены для всех складчатых мутантов в таблице 1. Мы обнаружили, что каждое положение в той или иной складке может быть мутировано без декодирования нативной структура. Ключевые мутанты на пути к конформационному переключению показаны на рис.2. Обнаружена гетероморфная пара с 88% идентичностью (G _A 88 и G _B 88b), в которой стабильность и функция остаются такими же, как у некоторых природных IgG и HSA-связывающих доменов. Сборка гетероморфных пар с идентичностью более 88% также была возможна, хотя дополнительная мутация приводит к падению стабильности ниже порога, наблюдаемого для большинства природных белков. Пара G _A 91 и G _B 91 имеют ΔG _{разворачивания} >3 ккал/моль при 20 °C. Оба белка демонстрируют неизменное сродство связывания со своими соответствующими лигандами и являются мономерными.

Рисунок 1.

G _A 77 в комплексе с HSA (из 1TFO.pdb) (36) и G _B 77 в комплексе с IgG (из 1fcc.pdb) (37). Боковые цепи аминокислот в 13 положениях неидентичности изображены желтыми палочками.

Таблица 1.

Очищенные мутанты

Рис. 2.

Выравнивание последовательностей для белков 3-α G _A ( Верх ) и белков 4β+α G _B ( Низ ), описанных в тексте. Области вторичной структуры для G _A 95 и G _B 95 показаны вверху и внизу выравнивания соответственно.13 неидентичностей между G _A 77 и G _B 77 показаны голубым цветом, 7 неидентичностей между G _A 88 и G _B 88 зеленым цветом, 4 неидентичности между G _A 91 и G _B 91 выделен синим цветом, 3 неидентичности между G _A 95 и G _B 95 желтым, а различие в одной аминокислоте между G _A 98 и G _B 98 в остатке 45 выделено красным.

Бинарное мутационное пространство, разделяющее G _A 91 и G _B 91, содержит всего 32 последовательности.Мы сконструировали, экспрессировали и очистили 17 из этих вариантов для эффективной выборки пространства последовательностей (таблицы 1 и S1). Основные наблюдения заключаются в следующем. Мутация Y33I мало влияет на стабильность 4β+α-укладки (-0,1 ккал/моль), а мутация L50K оказывает наименьшее влияние на стабильность 3-α-укладки (-1,0 ккал/моль). Мутации в положениях 20, 33 или 45 недопустимы в 3-α-укладке ни в одном из 32 контекстов (таблица S1). Мутации в положениях 30, 45 или 50 недопустимы в сгибе 4β+α ни в одном из контекстов.Единственным положением, которое не может быть изменено ни в одном из фолдов (без его разворачивания), было положение 45. Восемь из 17 белков были преимущественно свернуты в одну из нативных структур: четыре были 3-α и 4 были 4β+α. Из 9 «развернутых» белков все были очищены, и с помощью CD можно увидеть, что они имеют значительное содержание вторичной структуры. Точная природа этой остаточной структуры, вероятно, может быть определена в будущем с помощью методов 3D ЯМР.

Варианты, обозначенные G _A 95 и G _B 95, различаются только по позициям 20, 30 и 45, но при этом полностью свернуты, с ΔG _{разворачивания} ≈3 ккал/моль при 20 °C (рис.С2). Оба белка проявляют аффинность связывания со своими соответствующими лигандами (K _D <1 мкМ) и являются мономерными. Структуры этих белков с высоким разрешением были определены, чтобы лучше понять, как так мало аминокислот контролируют конформационный переключатель. Это подробно обсуждается ниже. Статистические данные для ансамблей G _B 95 и G _A 95 из 20 структур показаны в таблице S2. Коды доступа к Protein Data Bank для G _A 95 и G _B 95: 2KDL и 2KDM соответственно.

Мутация I30F в G _A 95 (G _A 98) и A20L в G _B 95 (G _B 98) приводит к гетероморфной паре, отличающейся только одной аминокислотой. G _A 98 уложен в конформацию 3-α (заселенность >90%, pH 7,2, 20 °C), а G _B 98 уложен в конформацию 4β+α (заселенность >90%, pH 7,2, 20°С). Спектры КД G _A 98 и G _B 98 по существу идентичны спектрам их исходных белков G _A и G _B (рис.С1). Приписанные спектры HSQC G _A 98 и G _B 98 сравниваются на рис. _D <1 мкМ). G _B 98 прочно связывается с IgG, но не с HSA. Способность G _A 98 связывать IgG, а также HSA может выявить скрытую склонность к переключению в конформацию 4β+α и демаскировать IgG-связывающий эпитоп. Популяция конформации 4β+α слишком мала для обнаружения в нелигандированном состоянии G _A 98, но связывание IgG может сместить равновесие от 3-α к 4β+α.Также возможно, что G _A 98 связывает IgG посредством нового механизма. Это будет решено с помощью ЯМР для картирования связывающего эпитопа (17). В любом случае исследование пространства бинарных последовательностей показывает, что один функциональный белок может переключаться в совершенно другую конформацию с другой функцией посредством мутационного пути, при котором ни функция, ни нативная структура полностью не утрачиваются. Белки G _A 98 и G _B 98 лишь незначительно стабильны, но восстановление стабильности и функции, близкой к дикому типу, в любом направлении может быть достигнуто только с 3 дополнительными мутациями (например,г., к G _A 88 и G _B 88b).

Рис. 3.

¹ H, ¹⁵ N Спектры HSQC. Назначение амидов основной цепи показано для G _A 98 (черный) и G _B 98 (красный). Из 56 аминокислот в этих двух белках 55 идентичны, но имеют разное химическое окружение, отражающее две разные складки. Сигналы протонов амида для боковых цепей соединены горизонтальными линиями.

Общее изменение топологии.

Структуры с высоким разрешением были определены для G _A 95 и G _B 95 и дают представление о структурных детерминантах конформационного переключения.Аминокислотные замены в положениях 20, 30 и 45 смещают равновесие с >99% 4β+α на >99% 3-α. Аминокислоты 1–8 разупорядочены в G _A 95 и образуют центральную β1-нить в G _B 95 (рис. 4). Аминокислоты 9–23 образуют спираль 1 в G _A 95, а в G _B 95 образуют виток между β1 и β2, цепь β2 и виток между β2 и центральной спиралью. Аминокислоты 27–33 спиральны в G _A 95. В G _B 95 спираль немного длиннее: 24–37. Аминокислоты 39–51 образуют спираль 3 в G _A 95 и в G _B 95 образуют виток между центральной спиралью и β3, цепь β3, виток между β3 и β4 и первую часть цепи β4. .Аминокислоты 52–56 разупорядочены в G _A 95 и образуют конец β4-цепи в G _B 95. За исключением обычных спиральных остатков 27–33, каждая аминокислота претерпела изменение вторичной структуры в переключателе от 3-α до 4β+α.

Рис. 4.

Мультяшное изображение топологии магистральной сети G _A 95 и G _B 95. Остатки 1–8 — синие, 9–23 — зеленые, 24–37 — красные, 38–52 — желтые, 53–56 — голубые. .

Гидрофобные взаимодействия.

Гидрофобное ядро ​​G _A 95 включает A12, A16 и L20 из α1; I30, I33 и A36 из α2; и V42, K46 и I49 из α3 (рис. 5). Алифатическая боковая цепь К46 способствует упаковке гидрофобного ядра с выступающей в растворитель аммониевой группой. A16, L20, I30, I33 и I49 образуют тесную сеть взаимозависимых гидрофобных контактов. L45 скрыт на 35% и на самом деле не очень консервативен среди природных доменов G _A . Его основные контакты находятся с граничными остатками Y29, L32 и основным остатком I33. Гидрофобное ядро ​​G _B 95 включает Y3, L5 и L7 из β1; А16 и А20 из β2; A26, F30 и A34 от α-спирали; W43 и Y45 из β3; и F52 и V54 из β4.На кластер Y3, L5, F30 и F52 приходится ≈50% гидрофобного ядра. F30 взаимодействует преимущественно с Y3 и L5 в β1 и F52 в β4. Y45 упакован по отношению к F52, а также образует очень прочную Н-связь с D47, что повышает pK _a Y45 до >12,0 (18). Взаимодействия Y45, D47 и F52 внутри шпильки β3-β4 помогают придать ей независимую стабильность, наблюдаемую в предыдущих исследованиях мутантов белка G (19). Семь критических гидрофобных остатков в ядре 3-α (A12, A16, I33, A36, V42, K46 и I49) сохраняются в 4β+α-укладке G _B 95. Девять критических остатков в 4β+α-укладке (Y3, L5, L7, A16, A26, A34, W43, F52 и V54) сохранились в 3-α-укладке G _A 95. Погребенные остатки в одной укладке часто больше растворителя подвергается воздействию в другой складке (рис. S3).

Рис. 5.

Ансамбль из 20 структур ЯМР для ( A ) G _A 95 (остатки 7–52) и ( B ) G _B 95 (остатки 1–56). Среднеквадратичное отклонение основной цепи составляет ≈0,5 Å для обеих структур. Полная статистика структуры представлена ​​в Таблице S2. Упорядоченные остатки ядра показаны голубым, тогда как различия в 3 аминокислотах между G _A 95 и G _B 95 выделены красным.Обратите внимание, что L20 упорядочен в гидрофобном ядре G _A 95, тогда как I30 и L45 более неупорядочены и доступны для растворителя. И наоборот, F30 и Y45 вносят значительный вклад в стабилизацию сердечника в G _B 95.

Критическая роль N- и C-концов в переключении.

Белок можно рассматривать как 2 части: аминокислоты 9–51, полностью структурированные в обеих складках, и 2 конца (1–8 и 52–56), неструктурированные в 3-α, но образующие β-тяжи в G _B 95 (рис. 6). При переключении с 3-α на 4β+α гидрофобные взаимодействия в ядре спирального пучка освобождаются и заменяются взаимоисключающими гидрофобными взаимодействиями между центральной спиралью (A26, F30 и A34) и центральными β-тяжами: β1 (Y3, L5 и L7) и β4 (F52 и V54). Таким образом, существует конкуренция между формированием пучка спирали и привлечением N- и C-концевых остатков для формирования β-листа с альтернативным гидрофобным ядром. Когда 20 = L, 30 = I и 45 = L, их предпочтительные партнеры по связыванию находятся в гидрофобном ядре 3-α складки (т.г., А16, I33 и I49). Когда 20 = A, 30 = F и 45 = Y, их предпочтительными партнерами по связыванию являются 3, 5 и 7 в цепи β1 и 52 и 54 в цепи β4. Пространство двоичной последовательности между G _A 95 и G _B 95 составляет всего 8 комбинаций. В этом пространстве последовательности соотношение L и Y на 45 имеет решающее значение для того, в какую сторону склонится баланс. Когда 45 = L, варианты развернуты, если 20 = A. Если 45 = L и 20 = L, белок останется преимущественно 3-α, даже когда I30 станет F. Аналогичным образом, когда 45 = Y, варианты развернуты, если 30 = I .Если 45 = Y и 30 = F, белок останется преимущественно 4β+α, даже когда A20 станет L. Таким образом, переключатель можно сократить до 1 аминокислоты.

Рис. 6.

Механизм переключения. Альтернативные конформации N-концевой (оранжевый) и С-концевой (синий) аминокислот в складках 3-α и 4β+α. Аминокислота критического переключения находится в положении 45 (красный). Также изображена гидрофобная упаковка N- и С-концевых аминокислот в ядре складки 4β+α.

Термодинамическая связь.

Чтобы полностью понять энергетику переключения, важно понимать, что ( i ) две альтернативные складки термодинамически связаны, и ( ii ) эта связь развивается только по мере развития контекста альтернативной складки. Это лучше всего иллюстрируется вариациями на 45 и 52. Остатки L45/Y45 имеют ≈35% доступность для растворителя в обеих складках. В G _A 95 L45 расположен в α3-спирали и не имеет прямых взаимодействий с F52. Как отмечалось выше, Y45 расположен в β3-цепи G _B 95 и упакован против F52.Ни мутации L45Y, ни A52F не являются катастрофическими в 3-альфа-сгибе (таблица 1). В G _A 77 мутация L45Y стоит 1,5 ккал/моль, а мутация A52F стоит всего 0,3 ккал/моль в разворачивании ΔG . Однако мутация Y45L или F52A сильно дестабилизирует складку 4β+α. На конечную третичную структуру сильно влияет стабильность структуры шпильки β3-β4. Когда Y45 и F52 встречаются вместе, предпочтение отдается шпильке β3-β4. С точки зрения логических операторов это вентиль И.Другие комбинации в 45 и 52 благоприятствуют 3-α. Переключение может быть результатом аддитивных эффектов дестабилизации 3-альфа-складки под действием Y45 (-1,5 ккал/моль) и стабилизации 4-бета+альфа-складки при взаимодействии Y45 и F52 (+2 ккал/моль).

Склонность изолированной последовательности 9–51 в G _B 98 по умолчанию равна 3-α. Эффекты коротких N- и C-концевых последовательностей могут подавлять независимую склонность. Ранее с короткими пептидами было продемонстрировано, что локальные склонности могут быть преодолены более крупным белковым контекстом (20, 21), но здесь склонность независимо стабильного домена из 45 аминокислот преодолевается двумя короткими последовательностями на его концах.Однако важность концов не проявляется до тех пор, пока не разовьется контекст 4β+α складки. Например, N-(1–8) и C-(52–56) концы G _B были заменены на ранней стадии разработки G _A . Изменения нейтральны по отношению к стабильности 3-α до тех пор, пока не будет достигнута точка переключения в мутационном пространстве. Однако не следует в целом предполагать, что неструктурированные N- и C-концы нейтральны по отношению к стабильности. В более ранней работе мы обнаружили, что замена 8 неструктурированных аминокислот на N-конце другого 3-альфа-белка (стафилококковый белок А) на 8 аминокислот из G _B приводит к потере стабильности на 3 ккал/моль (4).

Важность контекста также проявляется в выборе Y по сравнению с L в положении 45. В G _A 98 мутация L45Y изменит конформацию на 4β+α. В G _A 91 и G _A 95, где присутствует недостаточный контекст для поддержки полного переключения на 4β+α, L45Y вызывает разворачивание. Дестабилизация 3-α может быть результатом стабилизации «ненативной» (шпильки β3-β4) структуры. Это согласуется с общим явлением фолдинга белков. Изменения стабильности при мутации являются результатом взаимодействия как в нативном, так и в развернутом состоянии (т.г., исх. 22). В этом случае «развернутое» состояние 3-α, вероятно, включает шпильку β3-β4. В общем, эффекты мутации на развернутое состояние трудно предсказать, потому что специфические структурные элементы в развернутом состоянии неизвестны.

Обход развернутого состояния.

Тот факт, что последовательные мутации могут переключать конформационные предпочтения белка без заселения развернутого состояния, на первый взгляд кажется парадоксальным. Однако, как только развиваются двойные склонности, достигается критическая точка, и мутации имеют тенденцию заселять альтернативное состояние, а не развернутое состояние.Это крайний случай другого хорошо известного явления складчатости. Денатурация нагреванием или хаотропным агентом, таким как мочевина или Gu-HCl, обычно приводит к сильно неупорядоченному развернутому состоянию, характеризующемуся экспонированными гидрофобными группами и высокой конформационной энтропией (23). Когда мутация является денатурантом (а не теплом или хаотропным растворителем), «развернутое» состояние часто представляет собой ограниченный ансамбль конформаций, характеризующийся высоким содержанием вторичной структуры, хотя обычно не является четко определенной третичной структурой.Сохранение порядка у мутантов с низкой стабильностью согласуется с основными принципами: ( i ) белки разрушаются в воде в компактные структуры; ( ii ) компактность способствует приобретению вторичной структуры; и ( iii ) окончательные структурные склонности представляют собой тонкую смесь многих компенсирующих слабых сил. Важным общим моментом является то, что многие дестабилизирующие мутации будут создавать склонность к новым складкам, потому что некоторые ненативные состояния сильно предпочтительнее других.Новая склонность к специфической третичной структуре обычно может быть незаметна в расплавленной популяции, но даже слабая склонность может привести к коротким мутационным путям к стабильным альтернативным топологиям. Развернутые мутанты, такие как L45Y в G _A 91 и G _A 95, не обнаруживают ни 3-α, ни 4β+α складок, но могут содержать определенные структурные элементы каждой из них. Например, может формироваться структура шпильки β3-β4, но не β1-β2. Этот тип склонности к гибридам может привести к коротким мутационным путям еще к третьему типу укладки, если мы расширим выбор аминокислот и позиций.

Обсуждение

Мы демонстрируем, что складка и функция могут переключаться посредством мутационного пути, при котором функция никогда не утрачивается и в котором развернутое состояние никогда существенно не заселяется. Переключение с IgG-связывания, преимущественно 4β+α-укладки, на бифункциональную, преимущественно 3-α-укладку, может происходить посредством замены одной аминокислоты. Переключение было достигнуто, несмотря на ограничения, общие для усилий по инженерии белка: ( и ) определенные конечные точки для складки и функции; и ( ii ) досмотр ограниченного (т.е., бинарное) пространство последовательностей. Природа не имеет предопределенных направлений в пространстве складок/функций и не действует в ограниченном мутационном пространстве. Тем не менее, многочисленные инженерные усилия продемонстрировали способность белков переключать складки. Эта тема была рассмотрена в 2006 г. (2). Есть и естественные примеры фолд-переключения. Классические примеры основных конформационных изменений включают гемагглютинин вируса гриппа при взаимодействии с клеткой-хозяином (24), серпины при протеолизе петли (25) и прионные белки, которые изменяются от преимущественно α-спиральной доброкачественной формы (PrP ^C ) к инфекционное состояние (PrP ^Sc ) с повышенным содержанием β-листов (26). Другим недавним примером является хемокин-лимфотактин, который имеет 2 заселенных конформационных состояния в физиологических условиях: каноническая складка хемокина (3-цепочечный β-лист и С-концевая α-спираль) в равновесии с полностью β-листовым димером (27). Каждая конформация имеет различную функцию связывания. Кроме того, существуют природные факторы транскрипции Cro с 40% идентичностью, но с различной структурой для 25 а.о. на их С-концах (28).

Большинство примеров естественного и искусственного переключения укладки включают контекстуальное изменение мономера белка.Наиболее распространенным контекстуальным изменением является изменение четвертичной структуры. Например, мутация нескольких ядерных остатков в белке G может привести к переключению со стабильного мономера на стабильный тетрамер со многими нативными вторичными структурными элементами (29). В примере с прионным белком движущей силой конформационного переключения с мономера на агрегат является экстенсивное взаимодействие краев внешних β-цепей в агрегированном состоянии. Также было продемонстрировано, что связывание металлов опосредует основные изменения вторичной, третичной и четвертичной структуры белков, созданных с помощью вычислений (30–32).Хотя наши результаты показывают переключение с одной мономерной укладки на другую, энергетическая ситуация в некотором роде похожа на переключение конформации, вызванное связыванием лиганда. В нашем случае «связывание» N- и C-концов с образованием центральных нитей β-листа в сгибе 4β+α является основной энергетической движущей силой переключения.

Наша работа также показывает, что латентная функция связывания может быть связана с альтернативной склонностью к складыванию. Фактически, наш выбор альтернативных складок с высокой идентичностью основывался на переходе от функции связывания IgG к функции связывания с альбумином (3).Скрытая функциональность, вероятно, существует в природе, но ее трудно различить, потому что альтернативная функция проявляется только в неизвестной альтернативной складке. Мы бы предположили, что когда латентная функция существует в доступной альтернативной складке, вероятна функциональная миграция. Мы продемонстрировали в нашей искусственной системе, что не существует автоматического наказания, связанного с развитием альтернативной склонности или латентной функции. Мы предполагаем, что природа будет исследовать пространство последовательности, когда за это не будет наказания, то есть природа будет следовать любому функциональному пути.Небольшие изменения в аминокислотной последовательности могут привести к склонности белка к другой складке, а иногда и к переключению складок, что приводит к функциональной миграции. Тот факт, что укладка и функция могут переключаться через короткие мутационные пути, предполагает, что функциональную аннотацию, основанную на сходстве последовательностей, следует рассматривать с осторожностью. Тем не менее, сходная последовательность обычно подразумевает аналогичную структуру. Если в природе происходит кратное переключение, после этого последовательности быстро расходятся. Тем не менее, лимфотактин и факторы транскрипции Cro, по-видимому, являются двумя природными белками, которые были «пойманы на месте» (27, 28).

Переключение складок кажется более вероятным между некоторыми складками, чем между другими (33). Некоторые конструктивные особенности G _A и G _B делают их пригодными для переключения. Многие остатки сердцевины в каждой складке в значительной степени подвергаются воздействию растворителя в другой складке, что позволяет сосуществовать в одном белке важной информации об укладке для обеих складок. Степень, в которой положения гидрофобного ядра перекрываются в любых двух произвольных складках одинакового размера, будет широко варьироваться. Это означает, что может быть некоторая предсказуемость того, какие складки могут сблизиться в пространстве последовательностей.Учитывая ограниченное число складчатых семейств, это наблюдение может дать приблизительное представление о том, как белки мигрируют через складчатое пространство в процессе эволюции.

Материалы и методы

Мутагенез.

Сайт-направленные мутанты были получены с использованием наборов для мутагенеза QuikChange (Stratagene) в соответствии с инструкциями производителя.

Экспрессия и очистка белков.

Варианты

G _A и G _B были клонированы в вектор pG58 (16), который кодирует сконструированную пропоследовательность субтилизина в виде N-концевого слитого домена, и полученные слитые белки были очищены с использованием системы меток аффинного расщепления, которая мы разработали (16), по существу, как описано в ссылке.3. Коммерческая версия системы очистки доступна в Bio-Rad Laboratories (система очистки Profinity eXact). Минимальную среду (14) использовали для мечения ¹⁵ N и ¹³ C. Растворимый клеточный экстракт слитого белка продомена (eXact tag) вводили в 5-мл колонку S189 со скоростью 5 мл/мин для связывания, а затем промывали 10 объемами колонки 100 мМ KPO ₄ , pH 7,2 для удаления примесей (16 ). Для расщепления и элюирования очищенного целевого белка 6 мл 10 мМ азида натрия, 100 мМ KPO ₄ , pH 7.2 вводили со скоростью 0,5 мл/мин. Затем очищенный белок концентрировали до концентрации от 0,2 до 0,3 мМ, как это требуется для ЯМР-анализа. В этих условиях все белки являются мономерными. Это было продемонстрировано с помощью гель-фильтрации с встроенным многоугольным детектором рассеяния лазерного света (miniDAWN TREOS; Wyatt Technology).

Связывание с IgG и HSA.

IgG и HSA иммобилизовали на колонках GE HT1, содержащих NHS-активированную агарозную смолу, в соответствии с инструкциями производителя.Связывание мутантов проводили в 0,1 М растворе КПО ₄ , рН 7,2, вводя 1 мл раствора 1 мг/мл со скоростью 0,5 мл/мин. Промывали 15 мл 0,1 М KPO ₄ , pH 7,2, со скоростью 1 мл/мин. Элюировали 6 мл 0,1 М фосфорной кислоты.

ЯМР-спектроскопия.

¹⁵ N- и ¹³ C/ ¹⁵ N-меченые образцы готовили в концентрациях 0,2–0,3 мМ в 100 мМ буфере KPO ₄ (рН 7,2), содержащем 10 мМ азида натрия и 5–10% Д ₂ О.Спектры ЯМР получали на спектрометре Bruker AVANCE 600 МГц, оснащенном тройным резонансным криозондом z с градиентом оси ¹ H/ ¹³ C/ ¹⁵ N. Спектры записывали при 15 °C для G _A 95 и при 20 °C для G _B 95. Для обработки данных использовали NmrPipe (34), а анализ выполняли с помощью Sparky (35). Для получения результатов ЯМР использовали стандартные эксперименты с тройным резонансом. Назначение основной цепи было выполнено по спектрам HNCACB, CBCA(CO)NH, HBHA(CO)NH и HNCO, тогда как боковым цепям было присвоено значение 3D (H)C(CO)NH-TOCSY, 3D H(CCO)NH-TOCSY. , 2D CBHD и 2D CBHE эксперименты.Информация о межпротонном расстоянии была получена из спектров 3D ¹⁵ N NOESY и алифатических и ароматических 3D ¹³ C NOESY спектров с временем перемешивания 100 и 150 мс. Для получения дополнительной информации см. SI Text .

Благодарности

Мы благодарим Дэвида Шортла и Джорджа Роуза за полезное обсуждение; Yang Shen, David Baker и Ad Bax за предоставление результатов вычислительного анализа перед публикацией; и Джейн Ладнер за анализ рассеяния лазерного излучения. Эта работа была поддержана Национальным институтом здравоохранения Грант GM62154.

Сноски

• ¹ Кому следует направлять корреспонденцию. Электронная почта: bryan{at}umbi.umd.edu

• Вклад авторов: P.A.A., Y.H., J.O. и P.N.B. проектное исследование; П.А.А., Ю.Х., Ю.К., Дж.О. и П.Н.Б. проведенное исследование; П.А.А., Ю.Х., Дж.О. и П.Н.Б. проанализированные данные; и П.Н.Б. написал бумагу.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья является прямой отправкой PNAS.

• См. комментарий на стр. 21011.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу www.pnas.org/cgi/content/full/08106/DCSupplemental.

• Бесплатно доступен в Интернете через опцию открытого доступа PNAS.

Свежий (и полный) взгляд на растительный белок | 2021-12-10

ЧИКАГО. После того, как актер Стэнли Туччи потерял чувство вкуса и обоняния после лучевой терапии рака полости рта, он опасался, что потеряет часть своего наследия, поскольку вырос в традиционной южной итало-американской семье за ​​пределами Нью-Йорка. Йорк, где все вращалось вокруг еды.Три года спустя к нему вернулось чувство вкуса, и он сказал, что оно на самом деле обострилось. Сейчас он сосредотачивает большую часть своей энергии на еде, с телесериалом о гурманах, снятым в Италии, и недавно опубликованными мемуарами под метким названием «Вкус».

Ни веган, ни вегетарианец, мистер Туччи поддерживает движение за растительный белок. Предостережение, как и для многих других энтузиастов еды, заключается в том, что он включает больше растительного белка в цельные продукты, а не в обработанные продукты, которые выглядят как гамбургер или куриные наггетсы.

Мистер Туччи делает это в блюде из спагетти с веганским рагу болоньезе. Чечевицу варят в воде до готовности. После слива бобовые смешивают с нарезанным луком, морковью, сельдереем и маринарой из помидоров с кусочками и готовят до желаемой консистенции.

Получение полноценного белка

Проблема чечевицы, как и большинства растительных белков, заключается в том, что она не является полноценным белком. Это означает, что они не содержат девять незаменимых аминокислот в необходимом для организма соотношении.Хотя чечевица содержит большое количество некоторых незаменимых аминокислот, в ней отсутствует метионин, как и в большинстве растительных белков. Это делает метионин лимитирующей аминокислотой для чечевицы, и поэтому чечевица считается неполным источником белка.

Чтобы это блюдо было полноценным белком — что всегда следует учитывать при составлении рецептуры с растительными белками — оно должно содержать другие ингредиенты, содержащие достаточное количество лимитирующей аминокислоты. Традиционная паста из манной крупы не является источником метионина; тем не менее, использование лапши на яичной основе вместе с добавлением небольшого количества сыра должно гарантировать, что блюдо имеет полный белковый профиль.Если блюдо должно быть веганским, то можно использовать и другие специальные макаронные изделия. Одним из лучших веганских источников метионина является жизненно важный пшеничный глютен, в котором не хватает только лизина.

Полноценны белки животного происхождения, такие как лебеда, соя, большинство орехов и пищевые дрожжи. Последний представляет собой дезактивированные дрожжи, высушенные в порошок и обычно используемые в качестве ароматизатора в веганских блюдах, поскольку они имеют сильный сырный, ореховый вкус и придают вкус умами, которого не хватает многим растительным продуктам.

Чтобы сделать заявление на лицевой стороне упаковки, белок должен быть рассчитан как полноценный белок.Утверждения о «хорошем» или «отличном» источнике белка относятся к количеству полноценного белка в продукте. Это 5 грамм или 10 грамм на порцию для каждого соответствующего требования. Это очень важная информация для веганов, которым грозит дефицит некоторых незаменимых аминокислот. Дефицит может оказать негативное влияние на восстановление и рост мышц, баланс жидкости и выработку гормонов.

Если основное внимание при разработке продуктов на растительной основе уделяется просто разработке блюд с большим содержанием белков неживотного происхождения, полнота белка не имеет большого значения. Предполагается, что потребитель будет компенсировать недостающие аминокислоты другими продуктами в течение дня.

Наслоение вкуса

Одним из наиболее распространенных дуэтов дополнительного белка является рис и бобы. В рисовом белке много цистеина и метионина, но мало лизина. Белок фасоли содержит мало метионина, но много лизина. Другой вариант — арахисовое масло (с низким содержанием метионина, с высоким содержанием лизина) с цельнозерновым хлебом (с низким содержанием лизина, с высоким содержанием метионина). Эти дуэты цельных пищевых растительных белков могут служить основой для кулинарных блюд с добавлением других белков или без них.

Другой подход заключается в том, чтобы включить достаточное количество полноценного растительного белка, чтобы обеспечить сбалансированный профиль аминокислот. Например, Насташа МакКеон, основатель сети веганских продуктов питания Choice Superfood Bar and Juicery со штаб-квартирой в Карлсбаде, Калифорния, и автор книги «Растительная пища — это лекарство», сочетает мелко нарезанные грецкие орехи с пищевыми дрожжами, помидорами и специями, чтобы приготовить пикантный тако. заполнение. Семечки и орехи используются ею во многих рецептах.

«До того, как я стала веганом, я любила острое севиче из тунца, — говорит г-жа.— сказал МакКеон. «Мой пряный паштет из сунтуны действительно попадает в точку, когда возникает такое желание».

Она смешивает семена подсолнуха — источник полноценного белка — с орехами кешью и замачивает их до мягкости. Они сделаны из нарезанного лука, оливкового масла и приправ до консистенции салата из тунца.

Лебеда, также полноценный белок, может быть приготовлена ​​с приправами и использоваться в качестве дополнения ко многим блюдам на растительной основе. Мисс МакКеон, например, готовит лебеду с куркумой и оливковым маслом и использует ее для начинки блинчиков с зеленью.По сравнению с другими листовыми овощами, листовая капуста богата питательными веществами, в том числе белком, хотя и неполным.

«Я люблю листовую капусту, так много питательных веществ и так мало калорий», — сказала г-жа МакКеон. «Выберите большие свежие листья капусты. Чем больше воротник, тем легче использовать для обертываний. Вымойте и замочите капусту в теплой воде с небольшим количеством лимонного сока. Это помогает смягчить листья и сделать их достаточно гибкими, чтобы их можно было свернуть.

«Поместите промытую зелень листовой капусты на разделочную доску и отрежьте крупные стебли у основания листа.Затем используйте нож, чтобы тонко побрить вдоль ребра стебля, начиная с основания и двигаясь вверх к вершине. После того, как воротнички очищены и замочены, а стебель и ребра удалены, вы готовы сворачиваться».

Вешенки — еще один из ее любимых продуктов из цельного (неполного) растительного белка, так как они могут быть приготовлены так, чтобы напоминать нежные приправленные полоски мяса, такие как карнитас.

«Вешенки — богатый источник белка, витаминов, минералов, клетчатки и антиоксидантов», — сказала она.«Они с низким содержанием калорий и без жира, без холестерина, без глютена и с очень низким содержанием натрия».

Вешенки содержат только шесть из девяти незаменимых аминокислот в достаточном количестве. Им не хватает лейцина, лизина и метионина. При подаче в буррито или в обертке блюдо может стать полноценным белком, если добавить другие белки, например, соус в стиле сыра чипотле.

Мисс МакКеон любит использовать орехи кешью, которые также являются источником неполноценного белка, в качестве основы для многих ее «сырных» соусов.Она превращает их в полноценные белки за счет добавления пищевых дрожжей, которые также придают желаемые сырные нотки вкуса умами.

Когда дело доходит до приготовления веганских суши-роллов, целые овощи используются для имитации различных видов рыбы. Чтобы сделать роллы полноценным источником белка, г-жа МакКеон рекомендует использовать приправленную киноа.

«Люди всегда спрашивают меня, из чего я делаю «тунец», и это намного проще, чем вы думаете», — сказала она. «Я ненавижу продавать его, говоря «это просто помидор», но правда в том, что «это просто помидор».«Магия исходит от подготовки. Помидоры необходимо отварить, очистить от кожицы, нарезать филе и замариновать на несколько часов. Именно этот процесс придает помидорам сходство вкуса и текстуры с их рыбным аналогом, за исключением рыбного вкуса».

Она разработала несколько ароматных салатов, некоторые из которых служат способом обеспечения полноценным белком. «Пармезан» сочетает в себе сырые бразильские орехи, сырые кешью, сырые семена конопли с пищевыми дрожжами, солью и чесночным порошком. Смесь должна быть измельчена до гранулированной текстуры.Чрезмерная обработка приведет к консистенции орехового масла.

Сухарики из нута изготавливаются путем приправы, а затем запекания полностью приготовленных бобов нута. Она включает в себя пищевые дрожжи с травами и специями. Вы не найдете никакого белка в ее веганском топпере с беконом, но жидкие маринованные копченые и приправленные запеченные кокосовые хлопья придают вкус и хруст.

Не забывайте о сое

Тофу — это один из оригинальных полноценных веганских белков, который слишком часто игнорируется кулинарами. Тофу производится из соевых бобов, которые содержат все девять незаменимых аминокислот в правильном соотношении. Темпе и эдамаме, также разновидности соевых бобов, также являются полноценными белками.

Любимым пунктом меню чикагской компании Meez Meals, концепции доставки наборов для еды, которая обеспечивает предварительно приготовленные и готовые к приготовлению ингредиенты для здоровых изысканных блюд, приготовленных дома, является гималайский красный рис с хрустом бангкокского базилика. Чаша с рисом начинается с хрустящего базилика в азиатском стиле, приготовленного из свежего базилика, имбиря, кокоса и молотого арахиса.Его смешивают с приготовленным рисом, запеченным органическим тофу и жареной капустой.

Совет по соевым продуктам, Де-Мойн, штат Айова, и Ассоциация ресторанов Айовы любят работать с шеф-поварами Айовы над созданием удобных для потребителя рецептов с использованием сои. Недавно нескольким шеф-поварам было поручено создать оригинальную заправку для салата с использованием Mori-Nu Silken Soft Tofu в качестве основы. Произведенный Morinaga Nutritional Foods Inc., Торранс, Калифорния, тофу предназначен для использования в качестве нежирной, полезной для сердца альтернативы сметане или майонезу.Это источник полноценного растительного белка для приготовления соусов, соусов и смузи, и его не нужно хранить в холодильнике до открытия.

«Блюда на основе тофу очень модны, — сказал шеф-повар Аарон Холт, кулинарный консультант Sysco Foods Iowa и владелец фермы Doolittle Farms из Анкени, штат Айова. «Тофу такой универсальный. Более твердые формы отлично подходят для обжаривания или приготовления на гриле в качестве белков в центре тарелки».

Он создал зеленую заправку богини на основе мягкого тофу. Много зеленых ингредиентов занимают центральное место в этой заправке.— сказал Холт. Он смешал шелковистый тофу с авокадо, базиликом, кинзой, жареными поблано и обугленным зеленым луком. Немного меда с добавлением чили добавляет остроты, а яблочный уксус придает пикантность.

— Вы добавляете немного дижонской горчицы для эмульгирования и лимона для кислотности, — сказал мистер Холт. «Лимон действительно освежает вкус».

Он использовал заправку для смешанной зелени, которая подавалась как часть разобранной тарелки для тостов с авокадо. Он включал жареные тосты, нарезанный авокадо со всей приправой для рогаликов (семена являются источником полноценного растительного белка), нарезанные помидоры, нарезанный редис, маринованный лук и цельнозерновую смесь фарро, лебеды и риса.

Линда Фанк, исполнительный директор The Soyfoods Council, сказала, что тофу — это чистый лист, ожидающий, что его наполнят ароматом.

«Эти соевые заправки для салатов демонстрируют, как легко включить растительный белок в свой рацион», — сказала г-жа Фанк.

Джессика Дункер, президент и главный исполнительный директор Ассоциации ресторанов Айовы, сказала: «Повара всегда ищут новые способы порадовать посетителей своим творчеством. Мягкий шелковистый тофу — это двойная победа. У него отличная текстура и формат, чтобы передать вкус и фантастическую пользу для здоровья.

Шеф-повар Кевин Шарпф, владелец ресторана Brazen Open Kitchen Dubuque, штат Айова, создал веганскую заправку из мисо-ранч с обугленным луком. Уникальное сочетание вкусов дополняет все, от салата до суши.

— Вы не хотите сливать тофу, — сказал мистер Шарпф. «Вы хотите, чтобы весь сок, который идет с тофу, сделал соус гладким и шелковистым».

Morinaga представляет тофу, чтобы привлечь растущее число потребителей, интересующихся функциональными продуктами. Новый Mori-Nu Plus Fortified Tofu — это очень сливочный, однородный тофу с добавленными питательными веществами, включая эффективное количество пребиотиков и запатентованный постбиотик компании.

«Наша миссия всегда оставалась неизменной: способствовать легкому и вкусному приему питательных веществ, продвигая полностью питательный образ жизни, подкрепленный научно обоснованными фактами», — сказал Сатоши Эндо, президент и главный исполнительный директор. «Мы рады представить новую концепцию тофу, которую можно адаптировать к повседневным рецептам и которая предназначена для всех энтузиастов здорового образа жизни».

Срок годности до открытия. Компания вложила средства в разработку рецептуры, чтобы подогреть интерес к питательному соевому продукту. Одна из концепций состоит в том, чтобы нарезать кубиками осушенный тофу, покрыть и обжарить его, а затем намазать соусом Баффало. Другой — приготовить заварной крем для пропитки хлеба для французских тостов.

Шеф-повар Цадакия Эммануэль, совладелец веганского ресторана Majani, управляет тремя ресторанами в Чикаго. Он поклонник тофу и ценит его универсальность. Его меню включает в себя пирожки из тофу с крабами, приправленные пряностями, с веганским соусом тар-тар, а также тофу, приправленное вяленым мясом, используемое в тако, сэндвич и его фирменное блюдо: копченый вяленый тофу, сливочные макароны и домашний соевый сыр с листовой капустой и сладкий картофель с тростниковым сахаром.

Гороховый белок повсюду, полезен ли он?

В: Я внезапно вижу гороховый белок повсюду. Что это такое и здорово ли это?

A:  Гороховый протеин – это экстракт из колотого гороха, и производители продуктов питания добавляют этот протеин в различные продукты, такие как энергетические батончики, коктейли, заменяющие прием пищи, вегетарианские бургеры и даже хлопья. Вы также можете найти его в виде порошка для приготовления смузи.

Сейчас, когда протеину уделяется много внимания, гороховый протеин предлагает здоровый вариант.Традиционные подходы к повышению уровня белка могли включать в себя большие порции мяса, однако есть убедительные доказательства того, что избыток красного и обработанного мяса увеличивает риск рака и других хронических заболеваний.

Растущий интерес к вегетарианской и растительной диете, вероятно, вызвал увеличение доступности гороха и других белков растительного происхождения. Гороховый протеин также нравится людям, которые не переносят лактозу или не употребляют молочный белок. Но по сравнению с получением белка из продуктов, которые содержат множество других ценных питательных веществ, это не ответ для всех.

Растущий интерес к вегетарианской и растительной диете, вероятно, вызвал увеличение доступности гороха и других растительных белков.

Гороховый белок по сравнению с другими растительными белками

Белки состоят из аминокислот, и в нашем рационе есть девять незаменимых аминокислот. В отличие от животных источников белка, белок из растительной пищи часто содержит мало одной или нескольких из этих девяти аминокислот, что делает его «полноценным» белком. Тем не менее, исследования показывают, что если вы едите различные источники белка в течение дня, нет необходимости потреблять полноценные белки с каждым приемом пищи.

Как и бобовые, из которых он сделан, белок гороха содержит все незаменимые аминокислоты, но содержит мало одной из них, называемой метионином. Это означает, что его следует использовать только как один из множества различных источников белка, а не как основной выбор в течение дня.

Гороховый белок не всем одинаков. Содержание белка и других питательных веществ зависит от марки и от того, является ли продукт концентратом или изолятом (в изолятах обычно больше белка). Даже при одинаковом количестве белка количество клетчатки различается.Некоторые из них являются хорошим источником клетчатки, но большинство содержат мало. В этом белке относительно мало жира, но, по крайней мере, один, который я рассматривал, содержал относительное количество транс-жиров (тип жира, наиболее явно вредный для здоровья сердца).

По сравнению с обогащенными белком продуктами с белком, полученным из семян конопли, риса и большинства других злаков, белок гороха содержит лучший баланс незаменимых аминокислот.

По сравнению с обогащенными белком продуктами с белком, полученным из семян конопли, риса и большинства других злаков, белок гороха содержит лучший баланс незаменимых аминокислот.

Менее желательным аспектом горохового белка является то, что он может иметь зернистую текстуру. Таким образом, кажется, что лучше всего он работает в смузи с различными другими ингредиентами или в продуктах, обогащенных белком, с использованием рецептов, которые решают эту проблему.

Гороховый протеин в общей картине

Как диетолог, я рад видеть, что люди думают о способах удовлетворения потребностей в белке помимо больших порций мяса и включения белка в пищу в течение дня. Но важно признать, что только потому, что граммы белка, указанные на батончике или напитке, выглядят хорошо, белок не превращает пищу, лишенную питательных веществ, в здоровую пищу.

Подумайте, что еще вы получаете из продуктов, богатых белком. Порция горохового протеина стандартного размера, указанная на этикетке, часто содержит около 21 грамма белка. Это количество примерно в 3 унциях мяса, рыбы или птицы (размер колоды карт).

Однако при экстракции белка некоторые другие питательные вещества из сухого гороха могут быть удалены. Гороховый колотый содержит большое количество магния, фолиевой кислоты и калия, но на этикетках не указано, сколько их содержится в порошке горохового протеина.Порция порошка горохового протеина часто остается хорошим источником железа. Но в выделенном гороховом белке также отсутствуют углеводные соединения гороха, которые могут поддерживать противовоспалительные кишечные бактерии.

Продукты с меньшим содержанием белка могут удовлетворить ваши потребности в белке и обеспечить вас другими питательными веществами и фитохимическими веществами. Например, смешивание смузи с соевым молоком или тофу, добавление горсти орехов в закуску или добавление в салат также обеспечивает организм магнием, калием, полифенолами и витамином Е.

Если вы выберете его для повышения уровня белка, просто помните, что цельные продукты содержат больше, чем белок: следите за общей картиной.

Итог

Гороховый белок может быть полезным ингредиентом для придания структуры безглютеновым продуктам или улучшения текстуры. Если вы выберете его для повышения уровня белка, просто помните, что цельные продукты содержат больше, чем белок: следите за общей картиной того, что ваши продукты обеспечивают для улучшения общего состояния здоровья.

Карен Коллинз, MS, RDN, CDN, консультант по питанию AICR.Карен — спикер, писатель и консультант, специализирующийся на том, чтобы помочь людям разобраться в новостях о питании. Вы можете следить за ее блогом Smart Bytes® через ее веб-сайт и следить за ней в Твиттере @KarenCollinsRD.

Почему концентраторы играют важную роль в белковых сетях?

Образец цитирования: He X, Zhang J (2006) Почему концентраторы имеют важное значение в белковых сетях? Генетика PLoS 2(6): е88. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0020088

Редактор: Takashi Gojobori, Национальный институт генетики, Япония

Поступила в редакцию: 24 января 2006 г.; Принято: 26 апреля 2006 г .; Опубликовано: 2 июня 2006 г.

Copyright: © 2006 He and Zhang.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

Финансирование: Эта работа была поддержана исследовательскими грантами от Национальных институтов здравоохранения и Мичиганского университета для JZ.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Сокращения: ЭР, Эрдеш-Реньи; ИБЭП, взаимодействие между незаменимыми белками; ИЦП, белок-белковое взаимодействие

Введение

Сеть состоит из нескольких узлов, соединенных ребрами. Большинство сложных сетей являются безмасштабными, со степенным распределением количества ребер на узел или связности узлов [1,2]. То есть безмасштабная сеть содержит небольшое количество высокосвязанных узлов (концентраторов) и большое количество плохо связанных узлов (не концентраторов). Относительная важность узла в сети часто измеряется величиной изменений в структуре сети, вызванных удалением узла. Более точно такую ​​меру следует назвать структурной важностью узла.Например, вычислительный анализ показывает, что удаление концентраторов увеличивает долю недостижимых пар узлов и среднюю длину кратчайшего пути между всеми парами доступных узлов в сети (т. е. диаметр сети) больше, чем удаление неконцентраторов [3]. Следовательно, концентраторы более важны, чем не-хабы, для поддержания структуры глобальной сети. В биомолекулярных сетях, где гены или белки являются узлами, а молекулярные взаимодействия — краями, важность узла также можно измерить величиной изменений в функции сети или приспособленности организма, вызванных удалением узла. Такую меру можно назвать функциональной значимостью узла. Например, полногеномные исследования генных делеций показывают, что небольшая часть генов в геноме необходима для выживания или размножения организма [4,5]; эти гены называются незаменимыми генами. Было обнаружено, что в сети белок-белкового взаимодействия (PPI) без чешуи [6–8] концентраторы имеют тенденцию быть существенными [6]. Это явление наблюдалось у дрожжей, нематод и мух [9-11] и обычно называется правилом центральности-летальности [6].Используя термины, описанные выше, правило центральности-летальности указывает на корреляцию между структурной важностью узла в сети PPI и его функциональной важностью. Без критического анализа эта корреляция широко интерпретировалась как причинно-следственная связь. То есть считается, что функциональная важность узла вытекает из его структурной важности в сети [6,7,9,10]. Если это верно, эта интерпретация предполагает биологическую значимость сетевых структур и, следовательно, является фундаментальной для системной биологии. Здесь мы бросаем вызов этой точке зрения, предлагая альтернативное объяснение правила центральности-летальности, не связанное с сетевой архитектурой. Затем мы оцениваем новое объяснение с помощью эмпирических данных и демонстрируем, что преобладающая интерпретация правила центральности-летальности вряд ли верна.

Результаты/Обсуждение

Альтернативное объяснение правила центральности-летальности на основе основных ИЦП

Текущий анализ сетей PPI одинаково обрабатывает все ребра.Но на самом деле одни ИЦП важнее других. Это соображение было бы особенно значимым, если бы существовали ИПП, которые необходимы (незаменимы) для выживания или воспроизводства организма. Существенное взаимодействие между двумя белками делает оба белка важными, потому что удаление любого белка приводит к летальности или бесплодию из-за нарушения взаимодействия. Эмпирические данные указывают на существование основных ИЦП. Например, дрожжевые белки SPT16 и POB3 являются незаменимыми и образуют гетеродимеры, которые участвуют в репликации ДНК; генетические исследования показали, что их взаимодействие имеет решающее значение для этой функции [12]. Эссенциальные ИПП потенциально могут объяснить правило центральности-летальности, потому что белки с большим количеством ИПП имеют большую вероятность участвовать по крайней мере в одном жизненно важном ИПП, таким образом, имея больше шансов быть незаменимыми. Обратите внимание, что сетевая архитектура не упоминается в этом объяснении.

Оценка количества основных ИПП и их вклада в генную эссенциальность

Трудно экспериментально идентифицировать основные ИПП в геномном масштабе, потому что для идентификации требуется демонстрация того, что нарушение взаимодействия между двумя важными белками без воздействия на какие-либо другие аспекты функций белков вызывает летальность или бесплодие.Здесь мы используем вычислительный подход для оценки распространенности основных ИПП и вклада основных ИПП в эссенциальность генов на геномном уровне. Наш анализ сосредоточен на дрожжах Saccharomyces cerevisiae, потому что данные по PPI и эссенциальности генов являются наиболее полными для этого вида.

Мы построили нашу дрожжевую сеть PPI, в которой 4126 белковых узлов связаны 7356 ребрами. Используемые нами данные PPI были собраны вручную с помощью Комплексной базы данных генома дрожжей [13] из литературы и опубликованных крупномасштабных экспериментов.Как уже упоминалось, два белка, образующие незаменимый ИПП, должны быть незаменимыми (рис. 1А). Напротив, взаимодействия между незаменимыми белками (IBEP) могут быть или не быть существенными, поскольку незаменимость белка может быть обусловлена ​​факторами, отличными от основных PPI (рис. 1А). Эта функция позволяет нам оценить количество основных PPI в сети, так как количество IBEP увеличивается с количеством основных PPI. В нашей сети 807 IBEP. Мы сгенерировали управляющую сеть, случайным образом перемонтировав все ребра реальной сети, сохранив связь узлов (k) неизменной для каждого узла.Повторив эту процедуру 10 000 раз, мы получили распределение числа (m) IBEP в случайно перемонтированных сетях (рис. 1Б). Среднее значение м равно 592,6. Ни одно из 10 000 значений 90 117 m 90 118 не превышает количество IBEP в реальной сети, что убедительно указывает на избыток IBEP в реальной сети (90 117 p 90 118 < 0,0001). Этот избыток также очевиден в различных наборах данных ИПП дрожжей и ИПП нематод [14,15] (см. ниже и рисунки S1 и S2).В предположении, что избыток IBEP полностью обусловлен эссенциальными PPI, мы оцениваем, что α = (807–592,6)/7356 = 2,92% взаимодействий в сети PPI дрожжей являются существенными. Стандартная ошибка α составляет 0,23%. Здесь мы использовали случайную перекомпоновку для оценки α, потому что не существует простых способов аналитического вычисления α, если только не разрешено самовзаимодействие.

Рисунок 1. Основные ребра (взаимодействия) в сетях PPI

(A) Гипотетическая сеть PPI из 12 белков. Черные и белые узлы относятся к незаменимым и заменимым белкам соответственно.Толстые и тонкие края изображают существенные и несущественные взаимодействия соответственно. Белки, связанные существенным взаимодействием, должны быть существенными, тогда как взаимодействие между незаменимыми белками (IBEP) может быть или не быть существенным.

(B) Больше IBEP в сети PPI дрожжей, чем в случайно переподключенных сетях. «Observed» указывает наблюдаемое количество (807) IBEP в реальной сети. Серые столбцы показывают распределение числа (m) IBEP в 10 000 случайно переподключенных сетях.

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0020088.g001

В нашей сети необходимы 836 белков, или 20,3% всех узлов. В дополнение к незаменимым ИПП существуют другие факторы (например, взаимодействие белок-ДНК), которые могут сделать белок незаменимым. Пусть β будет вероятностью того, что узел станет существенным благодаря этим другим факторам. Чтобы оценить β, мы сначала удаляем информацию об эссенциальности гена в сети PPI дрожжей. Затем мы случайным образом назначаем этой сети 807- м основных ребер, где м случайным образом выбираются из ее распределения на рисунке 1B. Обратите внимание, что 807- м — это предполагаемое количество существенных ребер. Узлы, имеющие существенные ребра, отмечены как существенные. Затем мы имитируем влияние других факторов, обуславливающих существенность генов, случайным образом помечая узлы как важные, пока общее количество основных узлов в сети не станет равным 836. узлы существенны, в то время как другие факторы делают β = 12,64% узлов существенными. Стандартная ошибка β равна 0.63%. Обратите внимание, что на некоторые узлы (1,1%) влияют как основные ИЦП, так и другие факторы. Приблизительно 43% (8,7%/20,3%) эссенциальности белков объясняются эссенциальными взаимодействиями в сети PPI.

Наши оценки α и β могут быть смещены из-за нескольких факторов. Во-первых, некоторые характеристики сети PPI дрожжей могли быть искажены случайным изменением схемы, что повлияло на оценку α. Например, известно, что в сетях PPI подавляются связи между узлами с высокой степенью связи [16,17].Поскольку узлы с высокой степенью связи, как правило, важны [6,9–11], подавление уменьшает количество IBEP. Следовательно, если бы это подавление не было учтено при перемонтаже, мы могли бы переоценить 90 117 м, 90 118 и, следовательно, недооценить α. Однако это смещение, вероятно, невелико, поскольку подавление, по-видимому, в значительной степени ограничивается несущественными белками [14]. Во-вторых, качество данных ИЦП может повлиять на надежность наших оценок. В частности, преобразование информации о белковом комплексе в бинарные данные PPI с использованием либо модели «спиц» (предполагается, что приманка будет взаимодействовать со всеми членами комплекса), либо модели «матрицы» (предполагается, что все члены комплекса взаимодействуют со всеми других членов комплекса) [18] имеет тенденцию генерировать дополнительные IBEP для больших комплексов, что привело бы к завышению оценки α.Однако наши данные не включают большую часть информации о белковых комплексах, недавно полученной высокопроизводительными методами [19,20], и, таким образом, могут быть в значительной степени невосприимчивы к этой проблеме. В-третьих, мы предположили, что превышение наблюдаемых IBEP в реальной сети полностью обусловлено существенными PPI, хотя оно может быть вызвано и другими неслучайными особенностями реальной сети [14,15]. Наконец, наша оценка β основана на предположении, что другие факторы, вызывающие эссенциальность белка, одинаково и случайным образом влияют на все узлы в сети PPI.

Чтобы изучить эти потенциальные отклонения и оценить надежность наших оценок, мы провели три теста. Во-первых, согласно нашему анализу, факторы, отличные от эссенциальных ИПП, делают β = 12,6% белков эссенциальными. Существует 1952 белка дрожжей, которые не имеют ИПП и поэтому не включены в нашу сеть ИПП. Интересно, что 11,9% ± 0,8% (233/1952) этих белков являются незаменимыми, что статистически неотличимо от β ( p > 0,4, критерий хи-квадрат). Это соответствие предполагает, что наша оценка β надежна и допустимо предположение о стохастически одинаковом влиянии этих других факторов на все узлы.Во-вторых, поскольку наша оценка основывалась на смоделированных сетях, мы сравнили сетевые характеристики между смоделированными и реальными сетями. В частности, существенность узла была случайным образом переназначена при оценке β, хотя структура сети не изменилась. Мы обнаружили, что частотное распределение связности узлов похоже между переназначенными сетями и реальной сетью как для основных, так и для второстепенных узлов (рис. S3). Этот результат предполагает, что определение существенности узла в сети PPI дрожжей в значительной степени охвачено нашей двухэтапной процедурой, которая включает в себя основные PPI, которые случайным образом распределяются между ребрами, и другие факторы, определяющие существенность, которые случайным образом распределяются между узлами.Последняя и наиболее важная оценка наших оценок α и β состоит в том, чтобы проверить, можно ли предсказать эссенциальность белка с использованием этих оценок. Чтобы белок был несущественным, должны быть выполнены два условия. Во-первых, белок не содержит незаменимых ИПП. Во-вторых, на белок не влияют другие факторы, вызывающие эссенциальность. Таким образом, вероятность ( P _E ) того, что белок с k PPI является незаменимым, составляет: где α и β были оценены ранее. Таким образом, значения P _E могут быть предсказаны для каждого k с использованием приведенного выше уравнения.Наши наблюдаемые P _E из сети PPI дрожжей хорошо соответствовали предсказанным P _E (рис. 2А). Мы не сравнивали значения P _E для k > 10, потому что для каждого значения k , когда k > 10, имеется несколько узлов. Уравнение 1 можно переписать с помощью натурального логарифма как:

Рисунок 2. Зависимость между вероятностью того, что белок необходим ( P _E ) и связностью (k) белка

(A) Наблюдаемые и прогнозируемые значения P _E.Наблюдаемые значения были оценены по сети PPI дрожжей, а предсказанные значения были рассчитаны с использованием уравнения 1 с параметрами α = 2,92% и β = 12,6%. Столбики погрешностей показывают одну стандартную (выборочную) ошибку наблюдаемых значений.

(B) Линейная регрессия между ln (1- P _E ) и k . Используя уравнение 2, мы оценили по регрессии, что α = 3,29% и β = 12,8%. 95% доверительный интервал для α составляет от 2,23% до 4,35%. 95% доверительный интервал для β составляет от 6.7%–18,6%. Белки с k > 10 (~ 5% всех белков) не рассматривались из-за небольшого размера выборки.

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0020088.g002

Уравнение 2 предсказывает, что ln (1- P _E ) изменяется линейно с k . Эта линейная зависимость подтверждается для сети PPI дрожжей (коэффициент корреляции = 0,927, p = 0,0001; рисунок 2B). Мы оцениваем, что α = 3,29% и β = 12.8% от наклона и Y-пересечения линейной регрессии соответственно (рис. 2B). Эти оценки незначительно отличаются от наших более ранних оценок, основанных на смоделированных сетях ( p > 0,5). Взятые вместе, три теста подтверждают, что наши оценки α и β достаточно хороши.

Основные ИПП эволюционно более консервативны, чем неосновные ИПП

Было бы интересно предсказать, какие ИЦП необходимы. Но этот прогноз, естественно, сложнее, чем оценка доли основных ИЦП, из-за нехватки информации по отдельным ИЦП.Тем не менее ясно, что существенными могут быть только IBEP. Вероятность того, что IBEP необходима, составляет (807–592,6)/807 = 0,27. Здесь 807 — общее количество IBEP, а (807–592,6) — расчетное количество существенных взаимодействий. Если два взаимодействующих незаменимых белка не взаимодействуют с другими незаменимыми белками (наблюдение O ), апостериорная вероятность того, что их взаимодействие является существенным (событие E ), может быть получено из теоремы Байеса как:

Сеть дрожжевых ИПП содержит 38 таких «вероятно незаменимых» ИПП (названия и функции генов см. в Таблице S1).Ожидается, что по сравнению с заменимыми ИПП, основные ИПП будут более консервативными в эволюции из-за их важности для выживания и размножения организма. Для проверки этой гипотезы мы собрали сеть PPI плодовой мушки Drosophila melanogaster. Среди белков дрожжей, имеющих ортологов у плодовой мушки, имеется 1066 PPI, и 4,3% этих PPI консервативны между двумя видами (таблица 1 и таблица S2). Для сравнения, 7,6% IBEP и 26,3% вероятно основных PPI сохраняются между видами, что подтверждает прогноз о том, что основные PPI эволюционно более консервативны, чем несущественные PPI (таблица 1 и таблица S2).Помимо филогенетической консервации, 38 вероятно существенных взаимодействий не проявляют каких-либо особенностей. Они явно не обогащены какими-либо функциональными категориями, биологическими процессами или стабильными белковыми комплексами. Например, 45% из 38 вероятно важных взаимодействий связаны с двумя белками, которые появляются в одних и тех же белковых комплексах, по сравнению с 47% из 748 других IBEP ( p > 0,5, χ ² тест). Возможно, некоторое обогащение действительно существует, но его трудно различить из-за небольшого размера выборки.

Основные ИЦП объясняют правило центральности-летальности

Наш анализ дрожжевой сети PPI предполагает, что правило центральности-летальности связано с тем простым фактом, что узлы с высокой степенью связи участвуют в большем количестве PPI, чем узлы с плохой связью, поэтому вероятность участия в основных PPI выше. Из уравнения 1 видно, что P _E определяется всего двумя факторами. Одним из них является связывание белков, возникающее исключительно из-за основных ИПП, тогда как другой фактор не зависит от связности белков.Успех уравнения в описании эмпирических наблюдений (рис. 2) и совпадение оценок α и β, полученных с помощью двух разных подходов, позволяют предположить, что факторы, зависящие от белковых взаимодействий, но не связанные с основными ИПП, тривиальны, что подразумевает, что эссенциальность гена маловероятно из-за кумулятивных или плейотропных эффектов на уровне ИПП. Кроме того, они предполагают, что среди всех структурных особенностей сети PPI связность белков является единственным фактором, определяющим эссенциальность белка, и что это определение осуществляется через основные PPI. Эти результаты опровергают гипотезу о том, что правило центральности-летальности связано с относительной важностью узловых белков для поддержания сетевой архитектуры [6,7,9,10]. В поддержку нашей гипотезы центральность узла, измеряемая по промежуточности или близости, не выше для основных узлов, чем для несущественных узлов в сети PPI дрожжей, после контроля связности узлов (таблицы 2 и 3). Здесь промежуточность узла — это доля кратчайших путей среди всех пар достижимых узлов, проходящих через узел, тогда как близость узла — это средняя длина кратчайшего пути между узлом и всеми достижимыми узлами в сети.И промежуточность, и близость измеряют центральность узла в структуре глобальной сети. Дальнейшее подтверждение нашей гипотезы исходит из недавнего анализа сети PPI дрожжей, в которой концентраторы были классифицированы на два типа в соответствии с паттернами коэкспрессии между взаимодействующими белками [21]. Было обнаружено, что, хотя удаление одного типа концентратора увеличивает диаметр сети больше, чем удаление другого типа, два типа имеют одинаковую сущность [21,22].

Можно утверждать, что важность PPI может быть связана с его особым расположением в сети и что удаление существенного PPI может нарушить сетевую архитектуру больше, чем удаление второстепенного PPI.К сожалению, точно неизвестно, какие ИПП необходимы в дрожжевой сети. Поскольку важными могут быть только IBEP, ожидается, что удаление IBEP увеличит диаметр сети в большей степени, чем удаление не-IBEP, если основные PPI важнее второстепенных PPI в поддержании сетевой архитектуры. Однако такой тенденции не обнаружено (рис. 3А). Более того, удаление IBEP генерирует меньше недостижимых пар узлов, чем удаление не-IBEP (рис. 3B). Вероятно, это связано с тем, что IBEP, как правило, возникают между узлами с высокой степенью связи, которые менее подвержены влиянию потери ребра, чем узлы с низкой степенью связи.Таким образом, нет никаких доказательств того, что основные PPI более важны, чем несущественные PPI в поддержании сетевой архитектуры.

Рисунок 3. Влияние случайного удаления ребер на глобальную структуру сети Yeast PPI

(A) Влияние на диаметр сети, который представляет собой среднюю длину кратчайшего пути среди всех достижимых пар узлов в сети.

(B) Влияние на долю недостижимых пар узлов в сети. Обратите внимание, что общее количество IBEP в сети равно 807.

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0020088.g003

Сеть Yeast PPI функционально более надежна, чем случайные сети

Часто говорят, что безмасштабные сети устойчивы к случайным удалениям узлов, потому что большинство узлов плохо связаны, и они играют относительно незначительную роль в организации глобальной сетевой структуры [3]. Поскольку в сетях PPI единственным фактором, определяющим незаменимость белка, являются незаменимые PPI, можно проверить, структурирована ли сеть PPI особенно надежным образом.Основываясь на оценках α как при перемонтаже сети, так и при линейной регрессии, мы предполагаем, что 220 ребер (3% всех ребер) в сети PPI дрожжей являются существенными. Если мы случайным образом назначим 220 основных ребер в сети PPI дрожжей, в среднем 368 узлов станут важными (рис. 4А). Если распределение связности не подчиняется степенному закону, как в безмасштабных сетях, а следует распределению Пуассона, как в случайных сетях Эрдёша-Реньи (ER) [23], в среднем 417 существенных узлов получаются из 220 существенных ребер (рис. 4А).На самом деле ожидаемое количество основных узлов, генерируемых заданным количеством основных ребер, всегда ниже в безмасштабных сетях, чем в сетях ER (рис. 4B). Это может свидетельствовать о том, что безмасштабная сеть более надежна, чем сеть ER, даже если мы рассматриваем лежащий в основе механизм существенности узлов. Обратите внимание, что приведенная выше интерпретация надежности сети отличается от предыдущих анализов. В предыдущих исследованиях надежность измерялась с точки зрения структуры сети [3], но здесь она измеряется функцией сети.Мы предупреждаем, что более высокая надежность сети PPI дрожжей без чешуи, чем сетей ER, не означает, что устойчивость возникла в результате естественного отбора на устойчивость [6]. Скорее всего, надежность возникла как побочный продукт других эволюционных процессов или непредвиденных обстоятельств. Кроме того, интересно отметить, что дрожжевая сеть PPI далеко не самая надежная из возможных. Например, можно спроектировать сеть, в которой 220 основных ребер соединяют 22 основных узла (рис. 4А). Очевидно, что эволюция не работала таким образом.

Рисунок 4. Надежность сетей PPI

(A) Количество основных узлов, созданных 220 основными ребрами в различных сетях. Черные и серые столбцы изображают распределение количества основных узлов из 10 000 повторений случайных назначений 220 основных ребер в реальной сети PPI дрожжей и смоделированных сетях ER соответственно. Сеть ER имеет то же количество узлов и ребер, что и реальная сеть, но распределение связности узлов следует распределению Пуассона.Также показано минимальное и максимальное количество основных узлов, создаваемых 220 основными ребрами в любой возможной сети, которая имеет то же количество узлов и ребер, что и дрожжевая сеть PPI. Минимум — 22, поскольку количество ребер среди 22 узлов может достигать 21 × 22/2 = 231 > 220. Максимум — 220 × 2 = 440.

(B) Пропорции существенных узлов, генерируемых заданным количеством существенных ребер в безмасштабных (степенных) и ER-сетях. Обе сети содержат 4000 узлов и 4352 ребра. Безмасштабная сеть имеет связность узлов согласно степенному закону распределения P(k) ∝ k ^−γ , где P(k) — вероятность того, что узел имеет k ребер. Мы использовали γ = 2,29, как и в реальной сети дрожжей PPI (см. Рисунок S4). Сеть ER имеет распределение связности, следующее за распределением Пуассона со средней связностью на узел, равной 2,176. Результат, заключающийся в том, что в ER-сетях создается больше существенных узлов, чем в безмасштабных сетях, за счет заданного количества существенных ребер, применим и к другим значениям γ (см. рис. S5).

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0020088.g004

Предостережения

Наш анализ основан на данных PPI в Комплексной базе данных генома дрожжей [13]. Чтобы проверить, похожи ли наши результаты при использовании разных наборов данных PPI дрожжей, мы попробовали два других набора данных, один с гораздо большим количеством узлов и ребер [24], а другой с гораздо меньшим количеством узлов и ребер [21]. Мы обнаружили, что использование смоделированных сетей и использование линейной регрессии дали аналогичные оценки α и β для данного набора данных, хотя разные наборы данных давали разные оценки (рисунки S1 и S2).Эти результаты не являются неожиданными, учитывая, что три использованных нами набора данных сильно различаются по количеству узлов и ребер, средней связности и доле основных узлов. Эти вариации отражают разное количество ложноотрицательных и ложноположительных данных об эссенциальности белка и ИЦП среди разных наборов данных. Шум и неполнота данных потенциально могут подорвать нашу способность прогнозировать P _E . Однако до тех пор, пока существенные PPI случайным образом распределяются между ребрами, а другие факторы, вызывающие существенность, одинаково случайным образом влияют на все узлы, наше уравнение 1 должно работать.Фактически, соответствие между оценками α и β из смоделированных сетей и регрессионным анализом в каждом из трех наборов данных убедительно свидетельствует о том, что наше объяснение причины эссенциальности белка в значительной степени верно. В предположении, что ложноотрицательные и ложноположительные ИПП случайным образом распределены в сети, ложноотрицательные ИЦП не влияют на α, поскольку существенные и второстепенные ИЦП подвержены влиянию в одинаковой степени. Наоборот, ложноположительные ИПП приводят к занижению α, потому что количество основных ИПП не изменяется, но общее количество ИПП завышено.Оба этих прогноза были подтверждены при моделировании, когда 50% дрожжевых ИПП были случайным образом удалены или добавлены. Эти результаты показывают, что α, оцененный по набору данных с минимальными ложноположительными PPI [21], может быть наиболее точным. Тем не менее, этот набор данных содержит меньше узлов, чем другие наборы данных, и поэтому расчетное значение α может быть применимо только к этому подмножеству узлов. Недавнее исследование двухгибридных данных ИПП на чистых высокопроизводительных дрожжах показало более слабую связь между центральностью и летальностью, чем ранее было обнаружено из более подтверждённых данных [25]. Этот результат является ожидаемым, поскольку данные двухгибридных дрожжей с высокой производительностью содержат высокую долю ложноположительных ИПП, что приводит к более низкому значению α (например, 1,2% для данных Ито и др. [26]) и, следовательно, более слабому влияние k на P _E (см. уравнение 1).

Хорошо известно, что одиночные гены более важны, чем двойные гены [4,27,28]. Интересно спросить, чаще ли синглетоны, чем дубликаты, участвуют в важных взаимодействиях.Однако, поскольку синглтоны и дубликаты не образуют две отдельные сети PPI, для них невозможно оценить отдельные значения α. Кроме того, потенциальные функциональные компенсации между дупликациями могут маскировать истинную сущность дубликата гена. То есть многие несущественные дублирующиеся гены могут на самом деле иметь важные ИПП. Чтобы избежать этих проблем, мы классифицируем гены на одиночные и дубликаты и изучаем их партнеров по взаимодействию, игнорируя при этом важность самих этих генов. Мы обнаружили, что двойные гены дрожжей имеют в среднем 0,89 основных партнеров, что значительно меньше, чем ожидаемое число (0,94), рассчитанное для 5000 случайно перемонтированных сетей ( p = 0,004). Напротив, дрожжевые синглетоны имеют в среднем 1,01 незаменимого партнера, что значительно больше, чем ожидаемое число (0,94), рассчитанное по случайным перестроенным сетям ( p = 0,002). Этот анализ предполагает, что эссенциальные PPI потенциально способствуют более высокой эссенциальности синглетонов, чем дубликатов, подтверждая мнение о том, что одиночные гены по своей природе более важны, чем дубликаты генов [29].

Последствия

В биологических сетях, как и в других сетях, разные ребра могут иметь разный уровень важности. Обработка этих краев количественно или качественно по-другому может выявить ранее неизвестные закономерности и дать новое понимание. В этой работе мы предлагаем концепцию существенных белковых взаимодействий и демонстрируем с помощью компьютерного сетевого анализа, что большая часть существенности генов связана с незаменимыми ИПП. Важно подчеркнуть, что использование основных PPI для объяснения существенности генов не является тавтологией, потому что объяснение обеспечивает молекулярное понимание того, почему определенные гены необходимы, и предлагает концептуальную основу для будущих экспериментальных доказательств.Логично, что следующий вопрос заключается в том, почему необходимы основные ИЦП. Мы показываем, что основные ИЦП не более вероятно занимают центральные места в сети ИЦП, чем второстепенные ИЦП. Таким образом, сущность ИЦП, по-видимому, определяется не сетевыми структурами, а скорее конкретными функциями взаимодействия. В качестве альтернативы, влияние сетевой архитектуры может быть более тонким и, следовательно, требует дальнейшего изучения более крупных и точных данных PPI. Точно так же наши результаты предлагают более простое объяснение правила центральности-летальности, которое не требует роли белковых узлов в организации структуры глобальной сети.Кроме того, наша гипотеза количественно объясняет правило центральности-летальности, тогда как гипотеза сетевой архитектуры не имеет такой количественной модели. Наше открытие, по-видимому, противоречит биологической значимости сетевой архитектуры PPI. Однако следует отметить, что хотя эссенциальность генов является важным явлением, поскольку оно определяет выживание и размножение организмов, значение сетевой архитектуры может заключаться в других аспектах клеточной жизни, которые еще предстоит изучить.Кроме того, наш анализ сосредоточен на сетях PPI, и неясно, распространяются ли наши результаты на другие биомолекулярные сети. Поэтому роль сетевой архитектуры в биологии нельзя и не следует сбрасывать со счетов в настоящее время. Скорее, необходимы дополнительные исследования в зарождающейся области системной биологии для решения таких важных вопросов, как биологическое значение и эволюционное происхождение архитектуры и надежности биологических сетей [7,30–32].

Материалы и методы

Данные ИЦП дрожжей были загружены с ftp://ftpmips.gsf.de/дрожжи/PPI. Хотя само-взаимодействия могут содержать важную биологическую информацию, они не учитывались в нашем анализе, главным образом потому, что наш подход с использованием IBEP для вывода о существенных взаимодействиях не работал для само-взаимодействий. Поскольку правило центральности-летальности соблюдается, когда исключаются самодействия, наш анализ все же должен быть биологически значимым. Мы также исключили из нашего анализа 43 взаимодействия с участием элементов Ty и шесть с участием митохондриальных генов, что привело к 7356 неперекрывающимся PPI, связывающим 4126 ядерных генов дрожжей, из которых 836 генов являются существенными.Средняя связность на белок составляет 3,57. Гены дрожжей, которые были подвергнуты исследованиям с делецией одного гена, перечислены в: http://www-deletion.stanford.edu/YDPM. Основные гены перечислены в: http://www-sequence.stanford.edu/group/yeast_deletion_project/Essential_ORFs.txt. В нашей белковой сети было 162 гена, которым не хватало информации об эссенциальности, и которые при анализе рассматривались как несущественные. Эта стратегия могла привести к тому, что примерно 0,8% генов в нашей сети были неправильно классифицированы с точки зрения существенности генов.Все наши результаты были практически идентичны, когда эти 162 гена были исключены из белковой сети. Эссенциальные гены необходимы для роста дрожжей в средах, богатых YPD. Этот набор генов, по-видимому, является фундаментальным для клеточных процессов дрожжей, хотя дополнительные гены могут стать незаменимыми в неблагоприятных условиях [33]. Набор данных стабильного белкового комплекса дрожжей был загружен из базы данных генома Saccharomyces (ftp://genftp://genome-ftp.stanford.edu/pub/yeast/data_download/literature_curation/go_protein_complex_slim.tab), который содержал 188 комплексов, включающих 1226 генов.

одиночных гена и дубликатов генов были определены с помощью поиска дрожжевых белков «все против всех» BLASTP, следуя [34]. В частности, ген считался синглетоном, если при E-значении = 0,1 не было несамостоятельных попаданий. Ген считался дубликатом, если он имел хотя бы одно несамостоятельное попадание при значении E = 10 ⁻²⁰ .

Сеть PPI плодовых мушек [35] включала 4579 белков, связанных 4663 несамостоятельными взаимодействиями с высокой степенью достоверности. Мы провели полногеномный поиск BLASTP «все против всех» (значение Е = 10 ^-10 ) между 5773 белками дрожжей и 13434 белками плодовых мушек, которые были загружены из базы данных геномов Saccharomyces (http://www. дрожжевой геном.org) и ENSEMBL (http://www.ensembl.org) соответственно. Было обнаружено 1764 взаимных лучших совпадения, и они считались ортологичными белками между двумя видами. Чтобы контролировать тот факт, что основные гены имеют тенденцию быть эволюционно консервативными, мы исследовали только те PPI дрожжей, для которых оба партнера имеют ортологи у плодовой мушки.Вышеупомянутые 1764 белка образуют 1066 ИПП у дрожжей и 156 ИПП у плодовой мушки.

Параметры сети, такие как диаметр, близость и промежуточность, были рассчитаны с использованием компьютерной программы Pajek, загруженной с: http://vlado.fmf.uni-lj.si/pub/networks/pajek. Связность узлов в нашей дрожжевой сети PPI может быть аппроксимирована степенным распределением с параметром γ = 2,29 (рис. S4). Чтобы смоделировать безмасштабную (степенную) сеть с параметром γ (для рисунка 4B), мы сначала вычислили P(k), ожидаемую частоту узлов с k ребрами ( k = 1, 2, 3, …), используя P(k) = ak ^−γ , где a – константа, определяемая формулой Затем мы определили связность каждого из 4000 узлов в сети, следуя приведенному выше распределению 90 117 P(k) 90 118, и случайным образом объединили узлы в пары с учетом возможности подключения.При создании соответствующей сети ER мы случайным образом объединяли 4000 узлов в пары, пока общее количество ребер не достигло количества ребер в соответствующей безмасштабной сети.

Дополнительная информация

Рисунок S1. Взаимосвязь между вероятностью того, что белок необходим (

P _E ) и связностью (k) белка в сети PPI дрожжей

Информация о PPI дрожжей была загружена из GRID (Общий репозиторий наборов данных взаимодействия) [24] на http://biodata. mshri.on.ca/yeast_grid/files/Full_Data_Files/interactions.txt. После исключения самовзаимодействий и взаимодействий с участием элементов Ty или митохондриальных генов было получено в общей сложности 13 189 физических PPI, соединяющих 4674 гена (включая 972 основных гена). (A) Наблюдаемые и предсказанные значения P _E . Наблюдаемые значения были оценены по сети PPI для дрожжей. Столбики погрешностей показывают одну стандартную (выборочную) ошибку наблюдаемых значений. Прогнозируемые значения были рассчитаны с использованием уравнения 1 с параметрами α = 4.2 % ± 0,2 % и β = 3,5 % ± 0,8 %, которые были оценены с использованием переназначенных сетей и сетей с переназначением эссенциальности, как описано в основном тексте (5000 повторов). (B) Линейная регрессия между ln (1- P _E ) и k . Мы оценили по регрессии и уравнению 2, что параметры α = 4,2% и β = 4,9%. Белки с > 10 ребрами (~ 14% всех белков) не рассматривались из-за нехватки данных для каждого k .

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0020088.sg001

(12 КБ PDF)

Рисунок S2. Взаимосвязь между вероятностью того, что белок необходим (

P _E ) и связностью (k) белка в сети PPI дрожжей

Информация о PPI дрожжей, собранная Ханом и его коллегами [21], была загружена из : http://www.nature.com/nature/journal/v430/n6995/suppinfo/nature02555.html. Существует 2493 взаимодействия между 1379 генами (включая 530 основных генов).(A) Наблюдаемые и предсказанные значения P _E . Наблюдаемые значения были оценены по сети PPI для дрожжей. Столбики погрешностей показывают одну стандартную (выборочную) ошибку наблюдаемых значений. Прогнозируемые значения были рассчитаны с использованием уравнения 1 с параметрами α = 7,4 % ± 0,5 % и β = 21,8 % ± 1,4 %, которые были оценены с использованием переназначенных сетей и сетей с переназначением существенности, как описано в основном тексте (10 000 повторений). (B) Линейная регрессия между ln (1- P _E ) и k . Мы оценили по регрессии и уравнению 1, что параметры α = 7,3% и β = 24,9%. Из-за нехватки белков с высокой связностью белки с шестью и семью ребрами считались вместе и считались 6,5 ребрами, а белки с восемью и девятью ребрами считались вместе как 8,5 ребер. Белки с ≥ 10 ребер (~ 8% всех белков) не рассматривались из-за нехватки данных для каждого k .

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0020088.sg002

(11 КБ PDF)

Рисунок S3.Сходство в соединении узлов между сетью Yeast PPI и смоделированными сетями для (A) основных и (B) второстепенных узлов

ступенчатая случайная мода (см. основной текст). Средние частоты показаны для 10 000 смоделированных сетей.

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0020088.sg003

(10 КБ PDF)

Рисунок S5.Доли существенных узлов, генерируемых заданным числом существенных ребер в безмасштабных и ER-сетях

В безмасштабной сети связность узлов соответствует степенному распределению, а в ER-сети связность узлов соответствует распределению Пуассона.