Finding order in chaos

QC 2024-04-08

Abstract

Cellen är den minsta enheten av liv, och varje cell innehåller en komplex uppsättning av DNA, RNA, proteiner och andra makromolekyler. Under de senaste åren har teknologiska framsteg inom cellbiologiska studier av enskilda celler avslöjat en överväldigande mängd fenotypisk heterogenitet mellan cellpopulationer som tidigare betraktades som homogena. Tidigare kartläggning av denna heterogenitet har främst fokuserat på studier av RNA. Denna avhandling syftar dock till att ge en proteincentrerad syn på cellulär variabilitet, med särskilt fokus på cellcykeln och cellulär metabolism.

Det mesta av mitt arbete innefattar data från Human Protein Atlas-projektet. I detta projekt har vi kartlagt den spatiala fördelningen av över 13 000 mänskliga proteiner med subcellulär upplösning. Vi finner att ungefär en fjärdedel av alla mänskliga proteiner uppvisar heterogenitet i proteinuttryck mellan enskilda celler.

I Artikel I undersökte vi hypotesen att majoriteten av den observerade cellulära heterogeniteten kan förklaras av skillnader i cellcykelprogression. Därför genererade vi en stor karta över proteomisk och transkriptomisk uttrycksdata i relation till den mänskliga cellcykeln i enskilda celler. Vi identifierade hundratals nya proteiner relaterade till cellcykeln, vilka kan komma att fungera som potentiella läkemedelsmål vid sjukdomar som cancer. Vi visar vidare att en stor del av den cellcykelberoende variabiliteten på proteinnivå inte etableras genom cykliska ändringar av transkriptomet. Detta antyder att posttranslationella modifieringar i betydande utsträckning bidrar till regleringen av dynamiska förändringar i proteinuttryck under cellcykeln.

Därför utförde vi i Artikel II en djup masspektrometriprofilering av fosfoproteomet längs samma cellulära modell som i Artikel I och identifierade över 2000 cellcykelberoende fosforyleringsplatser hos människans proteiner. Den oöverträffade omfattningen av denna fosfoproteomiska data gör att vi kan koppla cellcykelberoende dynamik i proteinuttryck till fosforyleringshändelser. Dessutom identifierar vi en stor uppsättning proteiner med stabila uttrycksnivåer och varierande fosforyleringsmönster längs cellcykelns progression, vilket sannolikt reglerar deras funktion.

I Artikel I observerade vi också att majoriteten av heterogent uttryckta proteiner visar variation som är oberoende av cellcykelprogression, och bland dessa proteiner finns ett stort antal metaboliska enzymer. Därför strävade vi efter att beskriva omfattningen av subcellulär metabolisk komplexitet hos mänskliga celler och vävnader i Artikel III. Samtidigt som vi bekräftar att det finns en spatiell uppdelning av cellulära metaboliska processer visar vi att ungefär 50% av de metaboliska enzymerna lokaliserar till flera subcellulära avdelningar. Genom att integrera offentliga protein-protein-interaktionsdata med vår information om subcellulär lokalisering identifierar vi flera enzymer som utför olika funktioner i olika cellulära avdelningar. Dessutom observerar vi en starkt ökad mängd heterogent uttryckta enzymer. Vi föreslår att denna omfattande metaboliska heterogenitet kan etablera olika funktionella metabola tillstånd i en population av mänskliga celler.

Slutligen utvärderade vi i Artikel IV heterogeniteten hos det mitokondriella proteomet eftersom de är metabola kraftverk som innehåller en stor andel proteiner vars uttryck varierar beroende av cellcykeln. I denna studie korrelerade vi det variabla uttrycket av över 400 mitokondriella proteiner med uttrycket av hastighetsbegränsande enzymer i viktiga mitokondriella processer, såsom citronsyracykeln och metabolism av reaktiva syreföreningar. Vi visar att enzymer i samma reaktionsvägar ofta korrelerar i sitt uttryck, vilket indikerar att deras uttrycksvariabilitet kan bidra till etableringen av metabola tillstånd.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-344949