Ketika alat-alat untuk mempelajari biologi meningkat, para peneliti mulai mengungkapkan rincian mikroprotein, yang, tampaknya, merupakan kunci untuk beberapa proses seluler, termasuk yang terkait dengan kanker. Protein terdiri dari rantai asam amino yang terhubung, dan protein manusia rata-rata mengandung sekitar 300 residu asam amino. Sementara itu, mikroprotein mengandung kurang dari 100 residu asam amino. Para ilmuwan baru-baru ini menunjukkan bahwa salah satu mikroprotein, PIGBOS, yang terdiri dari 54 asam amino, membantu mengurangi stres sel.
Kerjakan oleh Alan Saghatelian et al. diterbitkan di Nature Communications.
Penelitian dimulai ketika para ilmuwan menemukan PIGBOS di mitokondria.
Upaya pertama untuk mendeteksi protein PIGBOS melalui protein fluorescent hijau (GFP) gagal. Mikroprotein terlalu kecil dibandingkan dengan ukuran GFP. Tim ilmuwan memecahkan masalah ini dengan mencoba pendekatan yang kurang umum disebut shared GFP, di mana mereka hanya menggabungkan sebagian kecil dari GFP, yang disebut beta, dengan PIGBOS.
Para peneliti dapat melihat PIGBOS dan mempelajari bagaimana itu berinteraksi dengan protein lain. Ketika mereka memetakan lokasi PIGBOS, mereka menyadari bahwa itu ada di membran mitokondria luar, siap untuk melakukan kontak dengan protein pada organel lain. Mereka terkejut melihat bahwa PIGBOS berinteraksi dengan protein yang disebut CLCC1, yang merupakan bagian dari organel yang disebut retikulum endoplasma (ER).
"PIGBOS berfungsi sebagai persimpangan antara mitokondria dan ER," kata rekan penulis lain dari karya tersebut, Qian Chu. "Kami dulu tidak melihat ini dalam mikrotein - dan jarang terlihat pada protein biasa."
Para peneliti menemukan bahwa PIGBOS sebenarnya mengikat CLCC1 untuk mengatur stres pada ER. Tanpa PIGBOS ER, kemungkinan mengalami stres, yang mengarah ke serangkaian peristiwa ketika sel mencoba untuk membersihkan protein cacat yang berbahaya (respons terhadap pelipat protein yang tidak tepat, UPR). Jika sel tidak bisa menghilangkan protein ini, ia memulai urutan penghancuran diri dan mati.
Para ilmuwan tidak berharap untuk melihat peran protein mitokondria dalam reaksi UPR. Pemahaman baru tentang PIGBOS ini membuka pintu bagi perawatan di masa depan yang dapat menargetkan sel-sel stres.
"Di masa depan, kita dapat mempertimbangkan bagaimana PIGBOS terlibat dalam penyakit seperti kanker," kata Q. Chu. "Pada pasien dengan kanker, UGD lebih stres daripada pada orang normal, sehingga mengelola UGD bisa menjadi tujuan yang baik."
Fig. 1. Pencitraan PIGBOS Microproteinwww.salk.edu/news-release/mysterious-microproteins-have-major-implications-for-human-diseasePara peneliti tertarik untuk mempelajari peran protein mitokondria lainnya dalam tekanan ER, serta bagaimana PIGBOS bekerja dalam model hewan. Tim ini juga bergerak maju dalam mengkarakterisasi perpustakaan mikrotein yang luas yang dapat menjadi penting dalam biologi sel.
Apa itu mikroprotein?
Istilah "mikroprotein" mengacu pada protein kecil yang dikodekan oleh bingkai bacaan terbuka kecil (smORF). Kemajuan dalam teknologi genomik dan proteomik menunjukkan bahwa genom mamalia diduga mengandung ratusan hingga ribuan mikrotein yang disandikan oleh smORF. Sebagai bagian genom yang besar dan masih kurang dipelajari, mikrotein memberikan peluang besar untuk mendapatkan pemahaman baru tentang biologi modern.
Bukan kebetulan bahwa jurnal Amerika The Scientist menyebut microproteins "materi gelap proteome manusia." Meskipun yang pertama dari mereka, Id, ditemukan sekitar 30 tahun yang lalu. Karakteristik umum dari keluarga protein Id pada mamalia adalah regulasi nasib sel mereka. Protein id bertindak dalam berbagai jaringan dan sel, termasuk myoblas, sistem saraf, dan sistem kekebalan tubuh. Selain fakta bahwa mereka bertindak sebagai modulator mekanisme transkripsi dan mempengaruhi nasib sel perkembangan, protein ID juga mempengaruhi kontrol siklus sel dan diekspresikan secara berlebihan di berbagai tumor manusia. Fungsi molekul protein Id dalam proses perkembangan dipahami dengan baik, tetapi sejauh ini hanya sedikit yang diketahui tentang fungsi protein Id pada orang dewasa.
Sampai saat ini, hanya beberapa smORF dan mikrotein yang dikarakterisasi dengan baik. Sebagai contoh, beberapa smORF spesifik otot memungkinkan kita untuk menggambarkan jalur baru yang mengontrol fungsi dan perkembangan otot. Mikroprotein manusia MOTS-C mengatur homeostasis metabolik, mikroprotein NoBody (polipeptida terdisosiasi P-tubuh yang tidak beranotasi) berinteraksi dengan protein pembelahan mRNA, yang merupakan komponen molekul dari langkah enzimatik pertama dalam jalur pemecahan mRNA. Dan mikrotein yang disebut CYREN mengatur pilihan jalur perbaikan DNA selama siklus sel.
Mekanisme aksi mikroprotein yang saat ini dikenal adalah untuk menekan pembentukan kompleks protein. Dan seperti inilah tampilannya. Banyak protein memenuhi fungsinya dengan bertindak sebagai bagian dari kompleks multi-protein. Pembentukan kompleks ini diatur secara ketat dan dimediasi oleh domain interaksi protein-protein. Gangguan pada kompleks atau kemampuan protein untuk membentuk homodimer, heterodimer, atau multimer dapat memiliki konsekuensi serius bagi fungsi seluler. Dalam hal ini, pembentukan dimer dan multimer dapat terganggu oleh mikrotein. Mikroprotein bertindak sebagai pengatur pasca-translasi, membentuk dimer homotipik dengan targetnya, dan bertindak melalui penekanan dominan-negatif terhadap fungsi kompleks protein.
Sederhananya, mikroprotein mengganggu kerja kompleks protein yang lebih besar, menghambat beberapa proses seluler dan merangsang yang lain. Studi menunjukkan bahwa aksi mikrotein bersifat evolusioner konservatif dan umum untuk hewan dan tumbuhan. Hasil penelitian utama menunjukkan bahwa mikroprotein terlibat dalam proses kekebalan, mengendalikan penghancuran molekul RNA yang rusak, melindungi bakteri dari panas dan dingin, menentukan periode pembungaan tanaman, dan berfungsi sebagai sumber racun dari berbagai jenis racun hewan. Menurut para ilmuwan, tampaknya mikroprotein terlibat dalam semua proses biologis. Tepat sebelum mereka tidak memperhatikan.
Sangat mungkin bahwa banyak proses seluler kunci lainnya juga dimediasi oleh mikrotein yang tidak ditentukan. Deteksi dan karakterisasi smORF dan mikrotein adalah tugas penelitian yang penting.
Terlepas dari misteri yang tersisa, para ilmuwan sudah menguji potensi penggunaan molekul-molekul ini. Satu perusahaan menjual insektisida yang berasal dari mikroprotein yang ditemukan dalam racun atracide Australia. Dalam uji klinis, agen kontras berdasarkan protein kecil lain dalam racun kalajengking diuji. Tugas substansi ini adalah untuk mengisolasi batas tumor sehingga ahli bedah dapat mengekstraksinya dengan lebih akurat. Banyak perusahaan farmasi sekarang mencari protein mikro dengan potensi medis.
Betapa kecilnya mereka masih belum jelas. Drosophila membutuhkan mikroprotein dengan 11 asam amino untuk menumbuhkan cakar normal, dan beberapa mikroba dapat menghasilkan protein kurang dari sepuluh asam amino. Tetapi bahkan mikrotein terbesar tidak mencapai protein berukuran sedang, seperti alfa-amilase, enzim asam 496-amino yang ditemukan dalam air liur kita dan memecah pati.
Hanya deteksi terbaru dari sejumlah kecil mikrotein yang dikaitkan dengan kriteria pengenalan gen yang ditetapkan sekitar 20 tahun yang lalu. Ketika para ilmuwan menganalisis genom tubuh, mereka sering memindai bingkai membaca terbuka (ORF). Agar tidak tenggelam dalam jumlah besar data, di masa lalu, para peneliti umumnya mengesampingkan ORS dengan protein kurang dari 100 asam amino dalam eukariota atau 50 asam amino pada bakteri. Misalnya, dalam ragi, kondisi ini membatasi daftar OPC hingga sekitar enam ribu.
Melemahnya kriteria ini menunjukkan bahwa sel-sel mengandung lebih banyak OPC secara signifikan. Awal tahun ini, para ilmuwan mengidentifikasi fragmen genom mikroba yang menghuni empat bagian tubuh manusia, termasuk usus dan kulit. Ketika mencari OPC kecil yang dapat menyandikan protein dari lima hingga 50 asam amino, para peneliti menemukan sekitar empat ribu keluarga mikrotein potensial. Hampir setengah dari mereka tidak mirip dengan protein yang diketahui, tetapi urutan satu ORS kecil menunjukkan bahwa protein yang sesuai terletak di ribosom - dan ini menunjukkan bahwa itu dapat memainkan beberapa peran mendasar. Ketika para ilmuwan mengabaikan OPC kecil, tidak hanya gen dengan beberapa fungsi langka yang terlewatkan, tetapi gen dengan fungsi kunci.
Sel-sel lain juga mengandung sejumlah besar OPC pendek: ragi, misalnya, mampu menghasilkan lebih dari 260 ribu molekul dengan spektrum dari dua hingga 99 asam amino. Tetapi sel-sel hampir pasti tidak menggunakan semua ORS ini, dan beberapa rantai asam amino yang mereka hasilkan mungkin tidak berfungsi.
Weissman et al. menemukan mikroprotein dengan cara lain: menggunakan metode yang mereka ciptakan, bertujuan untuk identifikasi yang lebih luas tentang jenis protein apa yang diproduksi oleh sel. Untuk membentuk protein apa pun, sel pertama-tama menyalin gen ke dalam kurir RNA. Kemudian ribosom membaca mRNA dan mengikat asam amino dalam urutan tertentu. Dengan mengurutkan mRNA yang melekat pada ribosom, Weissman dan timnya secara akurat menentukan yang mana dari mereka yang benar-benar berubah menjadi protein, dan di mana ribosom mulai "membaca" pada RNA. Dalam sebuah studi sel 2011, seorang ilmuwan dengan timnya menerapkan metode profil ribosom ini, juga disebut Ribo-seq, pada sel-sel induk embrionik tikus dan menemukan bahwa sel-sel tersebut menghasilkan ribuan protein tak terduga, termasuk banyak di mana jumlah asam amino akan berada di bawah ambang batas 100. unit. "Jelas bahwa alam semesta standar mengabaikan alam semesta protein yang luas, banyak di antaranya pendek," kata Weissman.
Saghatelian dan rekannya mengambil pendekatan ketiga untuk mendeteksi kelimpahan mikrotein dalam sel kita sendiri. Para ilmuwan menggunakan analisis spektrometri massa, di mana protein dipecah menjadi beberapa fragmen yang diurutkan berdasarkan massa, untuk mengidentifikasi spektrum identifikasi masing-masing protein. Saghatelyan dan rekannya menerapkan metode ini pada campuran protein dari sel manusia, dan kemudian mengurangkannya dari tanda-tanda jenis protein yang diketahui. Metode ini mengungkapkan spektrum 86 protein kecil yang sebelumnya tidak diketahui, yang terkecil di antaranya adalah 18 asam amino, seperti yang dicatat para ilmuwan dalam sebuah artikel di jurnal Nature Chemical Biology pada 2013.
Ukuran kecil membatasi potensi protein. Protein yang lebih besar bergabung menjadi bentuk kompleks yang ditujukan untuk implementasi fungsi tertentu, misalnya, mengkatalisasi reaksi kimia. Protein yang mengandung dari 50 hingga 60 asam amino tidak cenderung membentuk senyawa. Dan oleh karena itu, mereka tidak cocok untuk pembentukan enzim atau protein struktural.
Namun, ukurannya yang kecil juga membuka kemungkinan tertentu. Mereka cukup kecil untuk masuk ke sudut protein besar yang berfungsi sebagai saluran dan reseptor. Protein kecil sering berbagi asam amino pendek dengan mitra yang lebih besar dan karenanya dapat mengikat dan mengubah aktivitas protein ini. Mikroprotein terikat juga dapat mengarahkan molekul besar ke tempat-tempat baru - misalnya, dengan memfasilitasi penetrasi mereka ke dalam membran sel.
Karena ketertarikan mereka pada protein yang lebih besar, protein yang lebih kecil dapat memberikan sel cara reversibel untuk mengaktifkan atau menonaktifkan protein yang lebih besar. Dalam sebuah studi 2016 yang diterbitkan dalam jurnal PLOS Genetics, Stephan Wenkel dan rekannya memodifikasi tanaman Arabidopsis secara genetik untuk menghasilkan sejumlah tambahan dua protein kecil. Tanaman biasanya mekar pada saat hari cukup panjang, tetapi setelah kelahiran jumlah dua jenis mikrotein yang berlebihan, pembungaan tertunda. Protein kecil memicu penundaan ini dengan menghalangi protein besar berbunga yang disebut CONSTANS. Mereka mengikat CONSTAN ke protein penghambat lain yang mematikannya.
Pada 2016, Saghatelyan dan rekannya menemukan bahwa sel manusia menghasilkan protein yang mengandung 68 asam amino, yang mereka sebut NoBody. Protein ini dapat membantu penghancuran molekul RNA yang rusak atau tidak perlu. Nama "Nikto" mencerminkan peran protein ini dalam mencegah pembentukan tubuh prosesi, kluster misterius di sitoplasma, tempat penghancuran RNA dapat terjadi. Ketika tidak ada cukup protein, lebih banyak tubuh prosesi terbentuk, yang mempercepat penghancuran RNA dan mengubah struktur internal sel. "Ini membuktikan bahwa protein kecil dapat memiliki efek besar di dalam sel," kata para ilmuwan.
Otot tergantung pada banyak mikroprotein yang berbeda. Selama perkembangan embrio, sel-sel otot individu bergabung menjadi serat yang memicu kontraksi. Myomixer 84-amino acid protein bergabung dengan protein yang lebih besar untuk menghubungkan sel, seperti yang ditunjukkan Olson dkk pada tahun 2017 dalam karyanya di jurnal Science. Tanpanya, embrio tikus tidak dapat membentuk otot dan hampir transparan.
Selanjutnya, seiring perkembangannya, mioregulin mulai berlaku, yang membantu mengatur aktivitas otot. Ketika otot menerima rangsangan, gudang sel melepaskan kalsium, merangsang kontraksi jaringan dan produksi energi. Selanjutnya, pompa ion, protein yang disebut SERCA, mulai mengembalikan kalsium ke penyimpanan, memungkinkan jaringan otot untuk rileks. Mioregulin berikatan dengan SERCA dan menghambatnya. Efek ini membatasi frekuensi kontraksi otot, mungkin memberikan cadangan energi untuk keadaan darurat, misalnya, ketika melarikan diri dari pemangsa. Protein kecil lainnya, DWORF, memiliki efek sebaliknya mengaktifkan SERCA dan merangsang kontraksi otot sistematis.
Bahkan organisme yang dipelajari dengan saksama, seperti bakteri E. coli (Escherichia coli), menyembunyikan protein kecil tak terduga yang memainkan peran penting. Storz et al. melaporkan pada 2012 bahwa protein 49-asam amino yang sebelumnya tidak dikenal yang disebut AcrZ membantu mikroba ini bertahan hidup ketika terpapar antibiotik jenis tertentu dengan menstimulasi pompa bebas obat.
racun yang dihasilkan oleh berbagai organisme - termasuk laba-laba, skolopendra, dan moluska beracun - juga berlimpah dalam protein kecil. Banyak komponen racun melumpuhkan atau membunuh, menghalangi saluran untuk natrium atau ion lain yang diperlukan untuk transmisi impuls saraf. Protein kecil "menyerang saluran ion ini dengan akurasi dan kekuatan yang luar biasa, kata para ilmuwan. Mereka adalah komponen utama dari racun, dan bersama mereka sebagian besar konsekuensi farmakologis dan biologis terkait.
Misalnya, serangga raksasa pemakan ikan Australia, tidak hanya mengandalkan rahang tajam dan bagian mulut seperti puncak untuk mengalahkan mangsanya. Ini memberikan kepada para korban dosis yang mengandung lebih dari 130 protein, 15 di antaranya kurang dari 100 asam amino.
Tidak seperti protein besar, seperti antibodi, mikroprotein yang dicerna dari tablet atau injeksi dapat menembus sel dan memodifikasi fungsinya. Captopril, yang pertama dari kelas obat tekanan tinggi yang dikenal sebagai inhibitor enzim pengonversi angiotensin, dikembangkan dari protein kecil yang ditemukan dalam racun panas biasa, spesies ular beludak beracun. Obat ini, disetujui untuk dijual di Amerika Serikat pada tahun 1981, ditemukan secara kebetulan, bahkan sebelum para ilmuwan mengakui protein kecil sebagai kelompok terpisah. Sejauh ini, hanya beberapa mikrotein yang masuk ke pasar atau dalam uji klinis.
Peneliti kanker mencoba menggunakan mikroprotein yang ditemukan dalam racun kalajengking kuning, yang umum di Afrika dan Timur Tengah. Molekul ini secara misterius tertarik pada tumor. Dengan menambahkannya ke zat pewarnaan fluorescent, para ilmuwan berharap untuk menyoroti batas-batas tumor otak sehingga ahli bedah dapat dengan aman memotong area yang terkena kanker .. Ini menerangi tumor. Dengan demikian, Anda dapat melihat perbatasannya dan mendeteksi keberadaan metastasis. Dalam uji klinis, para peneliti sekarang mengevaluasi apakah sebuah molekul ganda akan membantu ahli bedah menghilangkan tumor otak pada anak-anak.
Masih belum diketahui bagaimana protein kecil memainkan peran penting dalam kedokteran, tetapi mereka telah membalik sejumlah klaim ahli biologi. Norbert Hübner dari Max Delbrück Center for Molecular Medicine di Berlin dan rekannya menemukan puluhan mikrotein baru dalam sel jantung manusia. Kelompok ini mengungkapkan sumber tak terduga mereka: urutan pendek dalam RNA non-coding yang panjang, yaitu, dalam spesies yang sebelumnya dianggap tidak menghasilkan protein. Dengan mengidentifikasi 169 RNA non-coding lama, mungkin dibaca oleh ribosom, Huybner dan timnya menggunakan salah satu jenis spektrometri massa untuk mengkonfirmasi bahwa lebih dari setengahnya menghasilkan mikroprotein dalam sel-sel jantung.
makalah kinerja mereka diterbitkan tahun ini di Cell.Urutan DNA protein kecil lainnya juga dapat ditemukan di tempat-tempat yang tidak konvensional. Sebagai contoh, beberapa berada di bingkai pembacaan terbuka, OPC, protein yang lebih besar. Para ilmuwan sebelumnya percaya bahwa urutan ini membantu mengendalikan produksi protein yang lebih besar, tetapi jarang menghasilkan protein sendiri. Beberapa urutan pengkodean dari mikrotein yang baru terdeteksi terletak pada urutan pengkodean untuk protein lain yang lebih panjang.Kejutan genom ini dapat menjelaskan bagaimana gen baru muncul, kata ahli biologi sistem evolusi Anne-Ruxandra Carvunis dari University of Pittsburgh, Pennsylvania. Para ilmuwan sebelumnya percaya bahwa sebagian besar gen muncul ketika gen yang ada berlipat ganda atau bersatu, atau ketika spesies bertukar DNA. Namun, menurut Karvunis, mikroprotein menunjukkan bahwa protogen dapat terbentuk ketika mutasi menetapkan sinyal awal dan berhenti baru di bagian non-coding genom. Jika OPC yang dihasilkan menghasilkan protein yang bermanfaat, sekuens baru akan tetap berada dalam genom dan melalui proses seleksi alam, selanjutnya berkembang menjadi gen yang lebih besar yang mengkode protein yang lebih kompleks.Dalam sebuah studi 2012, Carvounis dan rekan menemukan bahwa ragi mengubah lebih dari seribu ORS pendek menjadi protein. Dan ini menunjukkan bahwa urutan ini adalah protogen. Dalam sebuah studi baru, Carvounis dan timnya menguji apakah ORS muda dapat bermanfaat bagi sel. Mereka secara genetik mengubah ragi untuk meningkatkan hasil 285 ORS yang baru berkembang, yang sebagian besar menargetkan molekul yang lebih kecil dari protein standar atau sedikit lebih dari itu. Pada hampir 10% protein, peningkatan levelnya meningkatkan pertumbuhan sel setidaknya dalam satu media."Microprotein adalah daerah yang tumbuh cepat," kata A. Saghatelian. "Tapi saya pikir studi kami ini benar-benar memengaruhi pemahaman saat ini tentang pengaruh mikroprotein pada biokimia dan biologi sel."Tautan :Pengaturan fungsi protein oleh 'microProtein'Alam semesta baru miniprotein meningkatkan biologi sel dan genetika.Regulasi respon tekanan ER oleh mikroprotein mitokondria