Međunarodni tim predvođen istraživačima sa Univerziteta u Torontu mapirao je kretanje proteina kodiranih genomom kvasca tokom njegovog ćelijskog ciklusa. Ovo je prvi put da su svi proteini organizma praćeni kroz ćelijski ciklus, što je zahtevalo kombinaciju dubokog učenja i mikroskopije velike propusnosti.
Tim je primenio dve konvolucione neuronske mreže, ili algoritma, nazvane DeepLoc i CicleNet, da analizira slike miliona živih ćelija kvasca. Rezultat je bila sveobuhvatna mapa koja identifikuje gde se proteini nalaze i kako se kreću i menjaju u obilju unutar ćelije tokom svake faze ćelijskog ciklusa.
„Otkrili smo da proteini koji redovno povećavaju i smanjuju koncentraciju unutar ćelije imaju tendenciju da učestvuju u regulisanju ćelijskog ciklusa, dok proteini sa predvidljivim kretanjem kroz ćeliju imaju tendenciju da olakšaju biofizičku implementaciju ciklusa“, rekao je Atanasios Licios, prvi autor studije. i postdoktorski saradnik u Donnelli centru za ćelijska i biomolekularna istraživanja U of T.
Studija je objavljena u časopisu Ćelija.
Ćelijski ciklus se shvata kao faze kroz koje ćelija napreduje da bi se na kraju podelila na odvojene ćelije. To je proces koji je u osnovi proliferacije života — i traje u svim živim bićima.
Na molekularnom nivou, ćelijski ciklus zavisi od koordinacije mnogih proteina koji ćeliju prevesti od rasta i replikacije DNK sve do ćelijske deobe. Disregulacija proteina može baciti ključ u ćelijski ciklus, a njegov poremećaj potencijalno može dovesti do bolesti poput raka.
Istraživači su primetili da je oko četvrtina mapiranih proteina kvasca pratila redovne obrasce pojavljivanja i nestajanja ili kretanja u određene oblasti ćelije. Većina proteina je pratila ove obrasce za koncentraciju ili kretanje, ali ne i za jedno i za drugo.
„Identifikovali smo oko 400 proteina sa samo periodičnom lokalizacijom tokom ćelijskog ciklusa i oko 800 sa samo periodičnom koncentracijom“, rekao je Litsios. „To znači da se proteini regulišu na više nivoa kako bi se osiguralo da se ćelijski ciklus odvija onako kako je programirano.“
Istraživački tim je koristio fluorescentnu mikroskopiju da prati oko 4.000 proteina na slikama ćelija kvasca kako bi klasifikovao fazu ćelijskog ciklusa, kao i lokaciju proteina unutar 22 kategorisana područja ćelije, kao što su jezgro, citoplazma i mitohondrije. Identifikacija faze i lokacije proteina je automatizovana korišćenjem konvolucionih neuronskih mreža, sa tačnošću predviđanja faze ćelijskog ciklusa od više od 93%.
„Analizirali smo slike više od 20 miliona živih ćelija kvasca, koje smo dodelili različitim fazama ćelijskog ciklusa koristeći mašinsko učenje“, rekla je Brenda Endruz, glavni istraživač studije i univerzitetski profesor molekularne genetike u Donnelli centru i fakultetu Temerti. Lek.
„Potom smo razvili i primenili drugi računarski cevovod da bismo ispitali kako se proteini menjaju u lokalizaciji i koncentraciji tokom ćelijskog ciklusa. Ova studija je proizvela jedinstveni skup podataka koji nudi pogled na molekularne promene koje se dešavaju tokom ćelijske deobe na nivou genoma.“
„Ćelija kvasca je odličan model za eukariotsku biologiju“, rekao je Litsios. „Postoje određene stvari koje možemo da uradimo sa ćelijama kvasca, ali ne i sa drugim organizmima koji su jednostavniji ili složeniji. Možemo koristiti ćelije kvasca da posmatramo procese u velikim razmerama, što ga čini savršenim organizmom za proučavanje ćelijskog ciklusa – u nadi da će bolje razumeti ciklus ljudskih ćelija.“
