Att förstå naturens byggplan – forskare identifierar funktionen hos ett tidigare okänt proteinkomplex

Backtrav, eller Arabidopsis, är den mest studerade växten i världen. Dess genom sekvenserades redan för över 25 år sedan, men funktionen hos ungefär en tredjedel av generna är fortfarande okänd. För att utforska detta började Totte Niittylä och hans forskarteam undersöka okända gener och proteiner som är evolutionärt bevarade hos olika växtarter. 

- Vi ville bryta ny mark genom att identifiera viktiga cellulära processer i växter som ännu inte var karakteriserade, säger Totte Niittylä. 

- Vår forskning fokuserade på okända gener som är nödvändiga för tidig fröutveckling. Vi upptäckte en gen utan vilken frön slutar växa i ett mycket tidigt skede efter befruktningen.

Ett protein med ovanlig placering i cellen

Teamet döpte genen till ”OPENER”, inspirerat av formen på den första cellen som bildas efter befruktningen. I växter där genen är muterad slutar cellen att växa och får formen av en flasköppnare. I icke-mutanta växter finns ingen sådan form, och cellen fortsätter att dela sig och utvecklas till det embryo som finns i fröet.

När forskarna började studera OPENER-proteinet i detalj upptäckte de att det hade en ovanlig placering i cellen: både runt cellkärnan, där DNA lagras, och runt mitokondrierna, där cellens energi produceras. Dessa resultat publicerades redan tidigare i en artikel av samma forskarteam, där den första upptäckten av OPENER-proteinet beskrevs.

Nyfikna på OPENER-proteinets ovanliga dubbla placering gick forskarteamet vidare för att ta reda på dess funktion och hittade två andra proteiner som interagerar med det. Även dessa hade okänd funktion och visade exakt samma placering i cellen. Genombrottet kom när forskarna kombinerade cellbiologi och biokemi med AlphaFold, ett artificiell intelligensbaserat verktyg som förutsäger proteiners struktur utifrån deras aminosyrasekvens.

Modellering av proteinets 3D-struktur ledde till genombrottet 

- Vi insåg att de tre proteinerna har liknande struktur och bildar en trefingrad, kloliknande form. Det var vårt ”AlphaFold-ögonblick”, säger Wei Wang, förste författare till studien och tidigare postdoktor i Totte Niittyläs grupp vid Umeå Plant Science Centre. 

- Vi sökte också efter liknande strukturer i andra organismer och hittade ett humant protein som nyligen kopplats till ribosomuppbyggnad. Trots att OPENER och det humana proteinet inte liknar varandra i aminosyrasekvens har de nästan identisk 3D struktur. Detta gav oss en tydlig ledtråd att gå vidare med. 

Med hjälp av AlphaFold förutsåg forskarna 3D-strukturen hos OPENER-proteinet och dess två interaktionspartner och såg att alla tre proteinerna hade en liknande struktur. Video: Wei Wang.

Ribosomer är cellens maskiner för att tillverka proteiner men innan detta kan ske måste ribosomens olika komponenter sättas ihop. Wei Wang och Totte Niittylä inledde ett samarbete med Johannes Hanson, expert på ribosomer, och André Mateus, specialist på proteinanalys, vid Umeå universitet. Tillsammans använde de en kombination av avancerade metoder och kunde visa att OPENER-komplexet består av totalt fem olika proteiner och spelar en viktig roll i uppbyggnaden av ribosomer i växter.   

Ribosomernas uppbyggnad i växter är mer komplex än man tidigare trott

- Ribosomer är avgörande för proteinsyntesen och därmed för organismens tillväxt och överlevnad, förklarar Totte Niittylä. 

- Eftersom ribosomtillverkning kräver mycket energi och resurser måste processen regleras noggrant. OPENER-komplexet verkar lägga till ett extra kontrollskikt i denna grundläggande process.

Wei Wang, som nyligen tillträtt en tjänst vid Yazhouwan National Laboratory i Sanya, Kina, tillägger: 

- Vår studie tyder på att regleringen av ribosomernas sammansättning och därmed proteinproduktionen i växter är mer komplex än man tidigare trott och sker på flera platser inuti cellen. Upptäckten öppnar nya vägar för grundforskning, inte bara inom växtforskning utan även i andra organismer som djur och människor.  

Nyfikenhetsdriven forskning lägger grunden för framtida innovationer. Att förstå hur växter växer och utvecklas är avgörande när man söker lösningar för att skydda vår livsmedelsförsörjning från klimatförändringarnas effekter. Med tanke på ribosomernas centrala roll för proteinsyntesen och växternas tillväxt öppnar studien också nya möjligheter för att undersöka grödornas avkastning och prestanda.