Resumo gráfico. Crédito:Célula (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.02.014 Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade de Toronto mapeou o movimento das proteínas codificadas pelo genoma da levedura ao longo do seu ciclo celular. Esta é a primeira vez que todas as proteínas de um organismo foram rastreadas ao longo do ciclo celular, o que exigiu uma combinação de aprendizagem profunda e microscopia de alto rendimento.
A equipe aplicou duas redes neurais convolucionais, ou algoritmos, chamados DeepLoc e CycleNet, para analisar imagens de milhões de células vivas de levedura. O resultado foi um mapa abrangente que identifica onde as proteínas estão localizadas e como elas se movem e mudam em abundância dentro da célula durante cada fase do ciclo celular.
“Descobrimos que proteínas que regularmente aumentam e diminuem de concentração dentro da célula tendem a estar envolvidas na regulação do ciclo celular, enquanto proteínas com movimento previsível através da célula tendem a facilitar a implementação biofísica do ciclo”, disse Athanasios Litsios, primeiro autor do estudo. e pós-doutorado no Donnelly Center for Cellular and Biomolecular Research da U of T.
O estudo foi publicado na revista Cell .
O ciclo celular é entendido como os estágios através dos quais uma célula progride para finalmente se dividir em células separadas. É este processo que está subjacente à proliferação da vida – e está em curso em todos os seres vivos.
No nível molecular, o ciclo celular depende da coordenação de muitas proteínas para transportar a célula desde o crescimento e a replicação do DNA até a divisão celular. A desregulação das proteínas pode prejudicar o ciclo celular, podendo a sua perturbação levar a doenças como o cancro.
Os pesquisadores observaram que cerca de um quarto das proteínas de levedura mapeadas seguiam padrões regulares de surgimento e desaparecimento ou movimento para áreas específicas da célula. A maioria das proteínas seguiu esses padrões tanto para concentração quanto para movimento, mas não ambos.
“Identificamos cerca de 400 proteínas apenas com localização periódica durante o ciclo celular e cerca de 800 com concentração apenas periódica”, disse Litsios. “Isso significa que as proteínas estão sendo reguladas em vários níveis para garantir que o ciclo celular ocorra conforme programado”.
A equipe de pesquisa usou microscopia de fluorescência para rastrear cerca de 4.000 proteínas em imagens de células de levedura para classificar a fase do ciclo celular, bem como a localização das proteínas em 22 áreas categorizadas da célula, como núcleo, citoplasma e mitocôndrias. A identificação da fase e da localização das proteínas foi automatizada através do uso de redes neurais convolucionais, com uma precisão de predição da fase do ciclo celular superior a 93%.
“Analisamos imagens de mais de 20 milhões de células de levedura vivas, que atribuímos a diferentes estágios do ciclo celular usando aprendizado de máquina”, disse Brenda Andrews, investigadora principal do estudo e professora universitária de genética molecular no Donnelly Center e na Temerty Faculdade de Medicamento.
"Em seguida, desenvolvemos e aplicamos um segundo pipeline computacional para pesquisar como as proteínas mudam em localização e concentração durante o ciclo celular. Este estudo produziu um conjunto de dados único que oferece uma visão em escala genômica das mudanças moleculares que ocorrem durante a divisão celular."
“A célula de levedura é um grande modelo para a biologia eucariótica”, disse Litsios. “Há certas coisas que podemos fazer com células de levedura, mas não com outros organismos que sejam mais simples ou complexos. Podemos usar células de levedura para observar processos em grande escala, o que as torna o organismo perfeito para estudar o ciclo celular. na esperança de compreender melhor o ciclo celular humano."
