蛋白質(zhì)是細胞和組織的基本成分，通過與網(wǎng)絡(luò)中的合作伙伴合作，可以發(fā)揮許多生物功能。這些網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性 - 蛋白質(zhì)在不同時間和不同細胞環(huán)境中與不同伙伴相互作用 - 可能對研究它們的科學家提出挑戰(zhàn)。然而，Stowers醫(yī)學研究所的研究人員已經(jīng)將數(shù)學方法應(yīng)用于大型蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)集，以揭示對復雜和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)組織的新見解。

在Nature Publishing Group的科學報告中發(fā)表的一篇新文章中，使用稱為拓撲數(shù)據(jù)分析(TDA)的高級數(shù)學方法研究了酵母釀酒酵母中的兩種蛋白質(zhì)INO80 和人類細胞系中的Sin3的生物網(wǎng)絡(luò)。，這是分析高度多維數(shù)據(jù)集的一般方法。與用于分析蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)的其他方法相比，TDA允許研究人員評估更多蛋白質(zhì)及其連接，并獲得擴展的網(wǎng)絡(luò)視圖。

“將蛋白質(zhì)視為中樞和輻射系統(tǒng)中的機場，”該文章的第一作者，Stowers蛋白質(zhì)組學中心的高級蛋白質(zhì)組學專家Mihaela Sardiu博士說。“該系統(tǒng)在常規(guī)狀態(tài)下單向工作。但是當暴風雪關(guān)閉主要樞紐時會發(fā)生什么?網(wǎng)絡(luò)的一部分會受到影響。”

當機場網(wǎng)絡(luò)中斷時，流量模式如何變化?乘客是選擇等候，走另一條路，租車還是開車去目的地?

“它與蛋白質(zhì)相似，”Sardiu解釋說。“網(wǎng)絡(luò)的一部分變化不僅會影響該組件，也會影響周圍的組件。”

對于INO80網(wǎng)絡(luò)研究，研究人員在編碼INO80染色質(zhì)重塑復合物成分的基因從基因組中刪除后分離出蛋白質(zhì)復合物。在Sin3網(wǎng)絡(luò)研究中，他們重新分析了先前的數(shù)據(jù)，證明人類Sin3網(wǎng)絡(luò)的破壞與組蛋白去乙酰化酶抑制劑相關(guān)的抗癌活性。

在這兩項研究中，研究人員確定了拓撲網(wǎng)絡(luò)模塊(TNM)，這些模塊由具有共享屬性的蛋白質(zhì)組成，這些蛋白質(zhì)存在于網(wǎng)絡(luò)中的特定位置。該研究結(jié)果通過識別由特定類別的蛋白質(zhì)組成的模塊提供對網(wǎng)絡(luò)的洞察，例如復合物中的蛋白質(zhì)，具有共同生物功能的蛋白質(zhì)和跨網(wǎng)絡(luò)中斷的蛋白質(zhì)。

TNM的鑒定可以應(yīng)用于癌癥等疾病的研究，其中蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)被化學療法或疾病本身改變。通過了解蛋白質(zhì)，它們的鄰域和它們的旅行，研究人員希望深入了解各種生物功能，包括耐藥性和癌癥突變的影響。

“TDA是一種快速有效的解釋復雜數(shù)據(jù)集的方法，”Stowers研究所蛋白質(zhì)組學主任，堪薩斯大學醫(yī)學中心病理學與檢驗醫(yī)學系教授Michael P. Washburn博士說。 。“關(guān)于破壞或擾亂蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)非常少。大多數(shù)焦點都集中在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)上。通過擾亂系統(tǒng)，你可以了解它如何作為一個動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。這種方法可以提供一個可視化的可訪問途徑蛋白質(zhì)之間的關(guān)系。“

其他Stowers的貢獻者包括Joshua M. Gilmore，博士，Brad Groppe和Laurence Florens，博士。

這項工作得到了Stowers醫(yī)學研究所和美國國立衛(wèi)生研究院國家普通醫(yī)學研究所(RO1GM112639)的支持。內(nèi)容完全由作者負責，并不一定代表NIH的官方觀點。

對結(jié)果進行總結(jié)

蛋白質(zhì)在細胞和組織中起重要作用。一些蛋白質(zhì)提供結(jié)構(gòu)完整性，其他蛋白質(zhì)催化反應(yīng)，而另一些蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)基因表達 蛋白質(zhì)組學是對細胞或生物體中所有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，功能和相互作用的研究，其數(shù)量可以達到數(shù)十萬或數(shù)百萬種。

為了更好地了解動態(tài)世界中的蛋白質(zhì)，Michael Washburn博士，Mihaela Sardiu博士及其在Stowers醫(yī)學研究所的合作者使用了一種稱為拓撲數(shù)據(jù)分析(TDA)的高級數(shù)學方法來研究兩種不同種類的蛋白質(zhì)及其相互作用網(wǎng)絡(luò)。研究人員改變或擾亂了這兩種蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的一部分，然后確定了網(wǎng)絡(luò)是如何受到影響的。使用TDA，將具有相似效果和共享相似特性的蛋白質(zhì)組識別為拓撲網(wǎng)絡(luò)模塊。此外，研究人員還能夠獲得更大的網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)相互作用的擴展視圖，并確定要探索的生物網(wǎng)絡(luò)的新領(lǐng)域。