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GPMelt:タンパク質の熱安定性解析への新しいアプローチ

GPMeltは、タンパク質の融解挙動の分析を強化して、より良い生物学的洞察を提供するよ。

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目次

タンパク質はすべての生き物の必須成分だよ。いろんな生物学的プロセスに関わっていて、他のタンパク質やDNA、小さな分子とも相互作用してる。タンパク質の重要な特性の一つは熱安定性で、これはタンパク質が熱にさらされたときにその構造をどれだけ維持できるかを指すんだ。もしタンパク質が安定してなければ、熱を加えたときに形が変わったり、塊になっちゃったりすることがあって、これを変性って呼ぶんだ。

タンパク質が熱にどう反応するかを研究するために、科学者たちは熱プロテオームプロファイリング(TPP)っていう方法を使ってる。この技術を使うことで、タンパク質の安定性が異なる温度でどう変わるかを見ることができるんだ。TPPを質量分析という特定の測定法と組み合わせることで、何千ものタンパク質を同時に分析できるんだ。

TPPでは、タンパク質をさまざまな温度にさらして、得られたデータから「融解曲線」って呼ばれるものを作るんだ。この曲線は、温度が上がるにつれて各タンパク質の豊富さがどう変わるかを示している。もともとTPPは、薬がターゲットのタンパク質とどう相互作用するかを調べるために作られたけど、時間が経つにつれて他の生物学的な質問を探るためにも使われるようになった。

温度範囲実験の理解

温度範囲熱プロテオームプロファイリング(TPP-TR)実験では、科学者たちはタンパク質のサンプルをさまざまな温度に加熱してから、可溶性のタンパク質を分析して融解曲線を作るんだ。このプロセスには、サンプルを加熱し、集まったものをフィルターで取り除き、タンパク質を小さな部分に分解して、質量分析を使って測定するっていう流れがある。

研究者たちは通常、TPP-TRでは2つのレベルの観察を行うよ:タンパク質レベルっていうのは同じタンパク質の複数の部分のデータを平均化する方法で、ペプチドレベルは個々のタンパク質の断片を分析する方法なんだ。ペプチドを調べるメリットは、タンパク質に対する修飾(例えばリン酸化)が起こることで、タンパク質にどんな変化があるかを見れることなんだ。

ほとんどの融解曲線は典型的なパターン(シグモイド型)に合うけど、いくつかのタンパク質は予想される曲線に合わない異常な振る舞いを示すことがあるんだ。これらの異常な形は、他の分子との相互作用や環境の変化に対するタンパク質の反応について重要な手がかりを提供することがある。

伝統的アプローチの問題

過去のTPP-TRデータの分析手法は、融解曲線が特定の形を持つと仮定することが多かったんだ。この仮定は研究者たちを制限することになって、非標準的な融解挙動を持つタンパク質からの貴重な情報を見落とす可能性があった。何人かの研究者は、異常な融解曲線が重要な生物学的意味を持つ可能性があると指摘したんだ、特に異なる条件下でのタンパク質の振る舞いに関して。

伝統的な手法は、予想される形に合わない融解曲線を持つタンパク質をフィルターで除外しがちで、結果として重要なデータを失うことになった。特に、複雑な生物学的プロセスに関与する特定のタンパク質は、一般的な期待に沿わない振る舞いを示すことがあるから、これは問題だったんだ。

新しいフレームワークの導入

これらの問題に対処するために、TPP-TRデータをより効果的に分析するための新しい統計ツール、GPMeltが開発されたんだ。このアプローチは、融解曲線がシグモイド型になるという仮定に依存してないんだ。代わりに、融解挙動のモデル化に柔軟性を持たせているんだ。

GPMeltは階層的ガウス過程モデルを使っていて、情報を共有する分析の層を作るんだ。これにより、データポイント間の類似点を考慮しながら、標準的な融解挙動と非標準的な融解挙動の両方を扱えるようになってる。これによって、研究者たちは以前は無視されていたかもしれないタンパク質からも洞察を得ることができるようになるんだ。

GPMeltの構造

GPMeltのフレームワークは、ペプチドレベルとタンパク質レベルのデータを同時に扱えるように構築されているんだ。このモデルは異なる条件を考慮するように設計されていて、いろんな実験設定下でのタンパク質の振る舞いを分析できるんだ。

階層の最上位はタンパク質全体の挙動を表し、下位のレベルは個々のレプリケートに焦点を当てるんだ。この多層構造は、さまざまな条件下でのタンパク質の融解挙動の類似性や違いを評価するのに役立つんだ。

GPMeltはまた、融解曲線の違いを測定する新しい方法も導入していて、治療や修飾がタンパク質の安定性にどのように影響するかをより正確に理解できるようにしているんだ。この新たな柔軟性により、科学者たちはデータの形状に関して厳格な仮定に縛られることなく、さまざまな実験要因を考慮できるようになったんだ。

GPMeltの検証

GPMeltが意図通りに機能するかを確認するために、既存のデータセットを使ってテストしたんだ。タンパク質レベルとペプチドレベルのデータの両方を含めてね。結果は、GPMeltが治療によって融解挙動に著しい変化を示すタンパク質を正確に検出できることを示していたんだ。

GPMeltは非標準的な融解挙動を持つタンパク質を含めることができたおかげで、より多くの面白そうなタンパク質を特定できるようになったんだ。これは、異常なタンパク質の振る舞いを研究することが重要だという考えを強化してるんだ。

現実の応用

GPMeltの影響は生物学的研究の多くの分野に広がっていて、特に異なる文脈でタンパク質がどう機能するかを理解するのに役立つんだ。例えば、がん研究では、特定の治療法の下でのタンパク質の振る舞いを知ることで、より効果的な治療法を開発できる可能性があるんだ。

GPMeltはドラッグデザインにも応用があるよ。さまざまな化合物に対する異なるタンパク質の反応を理解することで、新しい薬がどれだけ効果的かをより良く予測できるんだ。それに、GPMeltの柔軟性のおかげで、TPP-TR実験からのデータだけじゃなく、さまざまなデータセットに適用できるから、生物学的研究での使い道が広がるんだ。

結論

まとめると、GPMeltはタンパク質の熱安定性分析において重要な進展を表しているんだ。さまざまなデータ形状や条件に対応できる統計フレームワークを提供することで、生物学的な質問を探求する新しい道を切り開いているんだ。このツールは、科学者たちがタンパク質の機能、相互作用、さまざまな刺激への反応について以前は隠れていた洞察を明らかにするのを助けて、最終的には生物学の理解や新しい治療法の開発に貢献できるんだ。

オリジナルソース

タイトル: Hierarchical Gaussian process models explore the dark meltome of thermal proteome profiling experiments.

概要: Thermal proteome profiling (TPP) is a proteome wide technology that enables unbiased detection of protein drug interactions as well as changes in post-translational state of proteins between different biological conditions. Statistical analysis of temperature range TPP (TPP-TR) datasets relies on comparing protein melting curves, describing the amount of non-denatured proteins as a function of temperature, between different conditions (e.g. presence or absence of a drug). However, state-of-the-art models are restricted to sigmoidal melting behaviours while unconventional melting curves, representing up to 50% of TPP-TR datasets, have recently been shown to carry important biological information. We present a novel statistical framework, based on hierarchical Gaussian process models and named GPMelt, to make TPP-TR datasets analysis unbiased with respect to the melting profiles of proteins. GPMelt scales to multiple conditions, and extension of the model to deeper hierarchies (i.e. with additional sub-levels) allows to deal with complex TPP-TR protocols. Collectively, our statistical framework extends the analysis of TPP-TR datasets for both protein and peptide level melting curves, offering access to thousands of previously excluded melting curves and thus substantially increasing the coverage and the ability of TPP to uncover new biology. Author summaryProteins interactions with other proteins, nucleic acids or metabolites, are key to all biological processes. Being able to detect these interactions is essential to understand biological systems. Thermal proteome profiling is a proteome-wide biological assay able to capture these interactions. It consists in analysing the effect of heat treatment on proteins. Indeed, proteins, under physiological conditions, are folded. This folding gets disrupted as the temperature increases. The way this unfolding happens, called the melting profile of the protein, informs on the interactions of proteins. For example, the interaction of a protein with another protein can increase (thermally stabilise) or decrease (thermally destabilise) the temperature at which this protein starts unfolding. In this work, we present a new statistical method, named GPMelt, to analyse these melting profiles. Notably, GPMelt allows to analyse any melting profiles, independently of their shapes. The proposed improvements over previously published methods allow to investigate more robustly the melting profiles of more proteins, hence increasing the ability of thermal proteome profiling assays to discover new protein interactions. We anticipate that these advancements will aid in unravelling complex biological phenomena.

著者: Cecile Le Sueur, M. Rattray, M. Savitski

最終更新: 2024-07-27 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.26.564129

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.26.564129.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

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