Грибной прион - Fungal prion

Формирование прионов PSI + причины С. cerevisiae клетки с бессмысленной мутацией в ade1 ген для преобразования красного пигмента (колония внизу) в бесцветное соединение, в результате чего колонии становятся белыми (вверху)

А грибковый прион это прион что заражает грибковый хосты. Грибковые прионы встречаются в природе белки которые могут переключаться между множественными, структурно отличными конформациями, по крайней мере одна из которых является самораспространяющейся и передается другим прионам. Эта передача состояния белка представляет собой эпигенетический явление, при котором информация закодирована в самой структуре белка, а не в нуклеиновых кислотах. Некоторые прионообразующие белки были идентифицированы у грибов, прежде всего у дрожжей. Saccharomyces cerevisiae. Эти грибковые прионы обычно считаются доброкачественными и в некоторых случаях даже дают организму селективное преимущество.[1]

Грибковые прионы послужили моделью для понимания болезнетворных млекопитающее прионы. Изучение грибных прионов привело к характеристике особенностей последовательности и механизмов, которые позволяют прионным доменам переключаться между функциональным и амилоидообразующим состояниями.

Особенности последовательности

Прионы образованы переносимыми трансмиссивными прионными доменами, которые часто обогащены остатками аспарагина, глутамина, тирозина и глицина. Когда репортерный белок сливается с прионным доменом, он образует химерный белок, который демонстрирует конформационное переключение, характерное для прионов. Между тем, удаление этого прионного домена предотвращает прионогенез. Это говорит о том, что эти прионные домены действительно портативны и являются единственным инициатором прионогенеза. Это поддерживает гипотезу только о белках.

Недавнее исследование кандидатных прионных доменов в С. cerevisiae обнаружили несколько специфических особенностей последовательности, которые были общими для белков, проявляющих агрегацию и свойства самотемплинга. Например, агрегированные белки имели кандидатные прионные домены, которые были более обогащены аспарагином, в то время как неагрегированные домены были более обогащены глутамином и заряженными пептидами. Также были доказательства того, что расстояние между заряженными пептидами, которые предотвращают образование амилоида, такого как пролин, важно в прионогенезе. Это открытие специфичности последовательности было отходом от предыдущей работы, в которой предполагалось, что единственным определяющим фактором прионогенеза является общее распределение пептидов.[2]

HET-s прион Podospora anserina

Podospora anserina представляет собой мицелиальный гриб. Генетически совместимые колонии этого гриба могут сливаться и разделять клеточное содержимое, такое как питательные вещества и цитоплазма. Существует естественная система защитных белков «несовместимости» для предотвращения беспорядочного обмена между неродственными колониями. Один такой белок, называемый HET-s, принимает прионоподобную форму для правильного функционирования.[3][4] Прионная форма HET-s быстро распространяется по клеточной сети колонии и может преобразовывать неприонную форму белка в прионное состояние после слияния совместимых колоний.[5] Однако, когда несовместимая колония пытается слиться с колонией, содержащей прион, прион вызывает гибель клеток-захватчиков, гарантируя, что только связанные колонии получают выгоду от совместного использования ресурсов.

Прионы дрожжей

[PSI +] и [URE3]

В 1965 году Брайан Кокс, генетик, работавший с дрожжи Saccharomyces cerevisiae, описал генетический черта (называется [PSI +]) с необычным рисунком наследование. Первоначальное открытие [PSI +] было сделано в штамме ауксотрофный за аденин из-за бессмысленной мутации.[6] Несмотря на многолетние усилия, Кокс не смог определить обычный мутация это отвечало за черту [PSI +]. В 1994 году генетик дрожжей Рид Уикнер правильно предположил, что [PSI +], а также другая загадочная наследственная черта, [URE3], являются результатом прионных форм нормального клеточные белки, Sup35p и Ure2p, соответственно.[7] Названия прионов дрожжей часто помещаются в скобки, чтобы указать, что они не являются менделевыми в своем переходе к клеткам потомства, как плазмидная и митохондриальная ДНК.

Дальнейшее исследование показало, что [PSI +] является результатом самораспространяющейся неправильно свернутой формы Sup35p (белок длиной 201 аминокислота), который является важным фактором терминации трансляции во время синтез белка.[8] В дрожжевых клетках [PSI +] белок Sup35 образует нитчатые агрегаты, известные как амилоид. Конформация амилоида является самораспространяющейся и представляет собой прионное состояние. Для белка Sup35 существуют поразительно различные прионные состояния с различными свойствами, и эти различия являются самораспространяющимися.[9] Другие прионы также могут образовывать различные варианты (или штаммы).[10] Считается, что подавление нонсенс-мутаций в клетках [PSI +] происходит из-за пониженного количества функционального Sup35, поскольку большая часть белка находится в амилоидном состоянии. Белок Sup35 собирается в амилоид через амино-концевой прионный домен. Структура основана на наложении прионных доменов в конформацию регистрируемого и параллельного бета-листа.[11]

Важным открытием Чернова в сотрудничестве между лабораториями Либмана и Линдквиста было то, что белковый шаперон требовалось для поддержания [PSI +].[12] Поскольку единственная функция шаперонов - помогать белкам правильно складываться, это открытие убедительно подтвердило гипотезу Викнера о том, что [PSI +] является наследственным состоянием белка (то есть прионом). Аналогичным образом, это открытие также предоставило доказательства общей гипотезы о том, что прионы, включая первоначально предложенные млекопитающие ПрП прион, являются наследственными формами белка. Из-за действия шаперонов, особенно Hsp104, белки, которые кодируют [PSI +] и [URE3], могут преобразовываться из не-прионных форм в прионные. По этой причине прионы дрожжей являются хорошими моделями для изучения факторов, таких как шапероны, которые влияют на агрегацию белков.[10] Так же IPOD это субклеточный сайт, в котором амилоидогенные белки секвестрируются в дрожжах и где прионы, подобные [PSI +], могут подвергаться созреванию.[13] Таким образом, прионы также служат субстратами для понимания внутриклеточного процессинга белковых агрегатов, таких как амилоид.

Лаборатории обычно идентифицируют [PSI +] по росту штамма, ауксотрофного по аденину, на средах без аденина, аналогично тому, что использовали Cox et al. Эти штаммы не могут синтезировать аденин из-за бессмысленной мутации в одном из ферментов, участвующих в пути биосинтеза. Когда штамм выращивают на среде дрожжевой экстракт / декстроза / пептон (YPD), заблокированный путь приводит к накоплению промежуточного соединения красного цвета, которое выводится из клетки из-за его токсичности. Следовательно, цвет является альтернативным методом идентификации [PSI +] - [PSI +] штаммы белого или розоватого цвета, а штаммы [psi-] красные. Третий метод идентификации [PSI +] - это присутствие Sup35 в гранулированной фракции клеточного лизата.

При воздействии определенных неблагоприятных условий в некоторых генетических фонах [PSI +] клетки действительно чувствуют себя лучше, чем их братья и сестры, не содержащие прионов;[14] это открытие предполагает, что способность принимать форму приона [PSI +] может быть результатом положительного эволюционный отбор.[15] Было высказано предположение, что способность к преобразованию между инфицированными прионами и свободными прионами формами действует как эволюционный конденсатор чтобы дрожжи могли быстро и обратимо адаптироваться в различных средах. Тем не менее, Рид Уикнер утверждает, что [URE3] и [PSI +] являются заболеваниями,[16] хотя это утверждение было оспорено теоретическими популяционно-генетический модели.[17]

[PIN +] / [RNQ +]

Термин [PIN +] был введен Либманом и его коллегами из Psi-INducibility, чтобы описать генетические требования для образования приона [PSI +].[18] Они показали, что [PIN +] необходим для индукции большинства вариантов приона [PSI +]. Позже они определили [PIN +] как прионную форму белка RNQ1. [19][20][21] Сейчас иногда используется более точное название [RNQ +], потому что другие факторы или прионы также могут иметь фенотип, индуцирующий Psi.

Неприонная функция Rnq1 окончательно не охарактеризована. Хотя причины этого плохо изучены, предполагается, что агрегаты [PIN +] могут действовать как «затравки» для полимеризации [PSI +] и других прионов.[22][23][24] В основе приона [PIN +] лежит амилоидная форма Rnq1, расположенная в параллельных бета-листах в регистре, как амилоидная форма Sup35.[25] Из-за сходных амилоидных структур прион [PIN +] может способствовать образованию [PSI +] через шаблонный механизм.

Были созданы две модифицированные версии Sup35, которые могут индуцировать PSI + в отсутствие [PIN +] при сверхэкспрессии. Одна версия была создана путем переваривания гена с рестрикционный фермент Bal2, что приводит к белку, состоящему только из M и N частей Sup35.[26] Другой - слияние Sup35NM с HPR, белком мембранного рецептора человека.

Эпигенетика

Прионы выступают в качестве альтернативной формы неменделирующего фенотипического наследования из-за своей способности к самосознанию. Это делает прионы метастабильным доминантным механизмом наследования, который зависит исключительно от конформации белка. Многие белки, содержащие прионные домены, играют роль в экспрессии генов или связывании РНК, поэтому альтернативная конформация может вызывать фенотипические вариации. Например, [psi-] состояние Sup35 у дрожжей является фактором терминации трансляции. Когда Sup35 претерпевает конформационные изменения в прионном состоянии [PSI +], он образует амилоидные фибриллы и секвестрируется, что приводит к более частому считыванию стоп-кодонов и развитию новых фенотипов. С более чем 20 прионоподобными доменами, идентифицированными у дрожжей, это дает возможность для значительного количества вариаций от одного протеома. Было высказано предположение, что эта повышенная вариабельность дает селективное преимущество популяции генетически однородных дрожжей.[27]

Список охарактеризованных прионов

ПротеинЕстественный хозяинНормальная функцияПрионное состояниеПрионный фенотипГод определения
Ure2Saccharomyces cerevisiaeРепрессор катаболита азота[URE3]Рост на бедных источниках азота1994
Sus35Saccharomyces cerevisiaeФактор прекращения перевода[PSI +]Повышенный уровень подавления бессмыслицы1994
HET-SPodospora anserinaРегулирует гетерокарион несовместимость[Het-s]Образование гетерокарионов между несовместимыми штаммами1997
вакуолярная протеаза BSaccharomyces cerevisiaeсмерть в стационарной фазе, сбой в мейозе[β]неспособность расщепить клеточные белки при голодании N2003
Киназы MAPPodospora anserinaповышенная пигментация, медленный рост[C]2006
Rnq1pSaccharomyces cerevisiaeФактор шаблона белка[RNQ +], [PIN +]Способствует агрегации других прионов2000
Mca1 *Saccharomyces cerevisiaeПредполагаемая дрожжевая каспаза[MCA +]Неизвестный2008
Swi1Saccharomyces cerevisiaeРемоделирование хроматина[SWI +]Плохой рост на некоторых источниках углерода2008
Cyc8Saccharomyces cerevisiaeТранскрипционный репрессор[OCT +]Транскрипционная дерепрессия нескольких генов2009
Mot3Saccharomyces cerevisiaeФактор ядерной транскрипции[MOT3 +]Транскрипционная дерепрессия анаэробных генов2009
Pma1 + Std1 [28]Saccharomyces cerevisiaePma1 = основной протонный насос плазматической мембраны, Std1 = вспомогательный насос[GAR +]Устойчивость к репрессии, связанной с глюкозой2009
Sfp1 [29]Saccharomyces cerevisiaeГлобальный регулятор транскрипции[ISP +]Антисупрессор определенных sup35 мутации2010
Mod5 [30]Saccharomyces cerevisiae[MOD +]2012

[* Первоначальная статья, в которой предполагалось, что Mca1 является прионом, была отозвана [31]]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Michelitsch MD, Weissman JS (2000). «Перепись регионов, богатых глутамином / аспарагином: значение для их консервативной функции и предсказание новых прионов». Proc Natl Acad Sci U S A. 97 (22): 11910–5. Bibcode:2000ПНАС ... 9711910М. Дои:10.1073 / пнас.97.22.11910. JSTOR  123764. ЧВК  17268. PMID  11050225.
  2. ^ Альберти С., Халфманн Р., Кинг О., Капила А., Линдквист С. (2009). «Систематическое исследование выявляет прионы и освещает особенности последовательностей прионогенных белков». Клетка. 137 (1): 146–158. Дои:10.1016 / j.cell.2009.02.044. ЧВК  2683788. PMID  19345193.
  3. ^ Coustou V, Deleu C, Saupe S, Begueret J (1997). "Белковый продукт гена гетерокарионной несовместимости het-s гриба". Podospora anserina ведет себя как прионный аналог ». Proc Natl Acad Sci U S A. 94 (18): 9773–8. Bibcode:1997PNAS ... 94.9773C. Дои:10.1073 / пнас.94.18.9773. JSTOR  43101. ЧВК  23266. PMID  9275200.
  4. ^ Гринвальд Дж., Бухтц С., Риттер С., Квятковски В., Чоу С., Мадделейн М.Л., Несс Ф., Сескау С., Сорани А., Лейтц Д., Саупе С.Дж., Рик Р. (2010). «Механизм ингибирования прионов HET-S». Молекулярная клетка. 38 (6): 889–99. Дои:10.1016 / j.molcel.2010.05.019. ЧВК  3507513. PMID  20620958.
  5. ^ Maddelein ML, Dos Reis S, Duvezin-Caubet S, Coulary-Salin B, Saupe SJ (2002). «Амилоидные агрегаты прионного белка HET-s заразны». Proc Natl Acad Sci U S A. 99 (11): 7402–7. Bibcode:2002ПНАС ... 99.7402М. Дои:10.1073 / pnas.072199199. JSTOR  3058837. ЧВК  124243. PMID  12032295.
  6. ^ Кокс Б.С., Туйт М.Ф., Маклафлин С.С. (1988). «Пси-фактор дрожжей: проблема наследственности». Дрожжи. 4 (3): 159–78. Дои:10.1002 / год.320040302. PMID  3059716.
  7. ^ Викнер РБ (1994). «[URE3] как измененный белок URE2: доказательства наличия аналога приона в Saccharomyces cerevisiae». Наука. 264 (5158): 566–9. Bibcode:1994Наука ... 264..566Вт. Дои:10.1126 / science.7909170. PMID  7909170.
  8. ^ Паушкин С.В., Кушниров В.В., Смирнов В.Н., Тер-Аванесян М.Д. (1996). «Размножение дрожжевой прионоподобной детерминанты PSI + опосредуется олигомеризацией фактора высвобождения полипептидной цепи, кодируемой SUP35». EMBO Журнал. 15 (12): 3127–34. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1996.tb00675.x. ЧВК  450255. PMID  8670813.
  9. ^ Деркач И.Л., Чернов Ю.О., Кушниров В.В., Инге-Вечтомов С.Г., Либман С.В. (1996). «Генезис и вариабельность прионных факторов [PSI] у Saccharomyces cerevisiae». Генетика. 144 (4): 1375–86. ЧВК  1207691. PMID  8978027.
  10. ^ а б Либман С.В., Чернов Ю.О. (2012). «Прионы в дрожжах». Генетика. 191 (4): 1041–72. Дои:10.1534 / genetics.111.137760. ЧВК  3415993. PMID  22879407.
  11. ^ Shewmaker F, Wickner RB, Tycko R (декабрь 2006 г.). «Амилоид прионного домена Sup35p имеет регистровую параллельную β-листовую структуру». Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (52): 19754–9. Bibcode:2006PNAS..10319754S. Дои:10.1073 / pnas.0609638103. JSTOR  30051383. ЧВК  1750918. PMID  17170131.
  12. ^ Чернов Ю.О., Линдквист С.Л., Оно Б., Инге-Вечтомов С.Г., Либман С.В. (1995). «Роль шаперонного белка Hsp104 в распространении прионоподобного фактора дрожжей [psi +]». Наука. 268 (5212): 880–4. Дои:10.1126 / science.7754373. PMID  7754373.
  13. ^ Тайдмерс Дж., Треуш С., Донг Дж., Маккаффри Дж. М., Бевис Б., Линдквист С. (май 2010 г.). «Индукция прионов включает древнюю систему секвестрации агрегированных белков и наследственных изменений прионной фрагментации». Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (19): 8633–8. Bibcode:2010ПНАС..107.8633Т. Дои:10.1073 / pnas.1003895107. JSTOR  25681468. ЧВК  2889312. PMID  20421488.
  14. ^ Истинный HL, Линдквист SL (2000). «Прион дрожжей обеспечивает механизм генетической изменчивости и фенотипического разнообразия». Природа. 407 (6803): 477–83. Bibcode:2000Натура.407..477Т. Дои:10.1038/35035005. PMID  11028992.
  15. ^ Ланкастер А.К., Бардилл Дж. П., Истинный HL, Масел Дж. (2010). «Скорость спонтанного появления дрожжевого приона [PSI +] и его значение для эволюции свойств эволюционируемости системы [PSI +]». Генетика. 184 (2): 393–400. Дои:10.1534 / genetics.109.110213. ЧВК  2828720. PMID  19917766.
  16. ^ Накаяшики Т., Курцман С.П., Эдскес Х.К., Викнер РБ (2005). "Прионы дрожжей [URE3] и [PSI+] болезни ". Proc Natl Acad Sci U S A. 102 (30): 10575–80. Bibcode:2005ПНАС..10210575Н. Дои:10.1073 / pnas.0504882102. JSTOR  3376125. ЧВК  1180808. PMID  16024723.
  17. ^ Грисволд CK, Masel J (2009). «Сила отбора против прионов дрожжей [PSI +]». Генетика. 181 (3): 1057–1063. Дои:10.1534 / genetics.108.100297. ЧВК  2651042. PMID  19153253.
  18. ^ Деркач И.Л., Брэдли М.Э., Чжоу П., Чернофф Ю.О., Либман С.В. (1997). «Генетические факторы и факторы окружающей среды, влияющие на появление de novo приона [PSI +] в Saccharomyces cerevisiae». Генетика. 147 (2): 507–19. ЧВК  1208174. PMID  9335589.
  19. ^ Деркач ИЛ, Брэдли М.Э., Хонг Дж.Й., Либман С.В. (2001). «Прионы влияют на внешний вид других прионов: история [PIN (+)]». Клетка. 106 (2): 171–82. Дои:10.1016 / s0092-8674 (01) 00427-5. PMID  11511345.
  20. ^ Сондхеймер Н, Линдквист С (2000). «Rnq1: эпигенетический модификатор функции белка в дрожжах». Mol Cell. 5 (1): 163–72. Дои:10.1016 / с1097-2765 (00) 80412-8. PMID  10678178.
  21. ^ Патель Б.К., Либман С.В. (2007). ""Прион-стойкий «для [PIN +]: инфицирование амилоидными агрегатами Rnq1p- (132-405), полученными in vitro, индуцирует [PIN +]». Дж Мол Биол. 365 (3): 773–82. Дои:10.1016 / j.jmb.2006.10.069. ЧВК  2570204. PMID  17097676.
  22. ^ Деркач И.Л., Либман С.В. (2007). «Прион-прионные взаимодействия». Прион. 1 (3): 161–9. Дои:10.4161 / pri.1.3.4837. ЧВК  2634589. PMID  19164893.
  23. ^ Серио TR (2018). «[PIN +] сбивает механизм появления прионов». FEMS дрожжи Res. 18 (3). Дои:10.1093 / femsyr / foy026. ЧВК  5889010. PMID  29718197.
  24. ^ Чернов Ю.О. (2001). «Мутационные процессы на уровне белка: вернулся ли Ламарк?». Мутационные исследования. 488 (1): 39–64. Дои:10.1016 / S1383-5742 (00) 00060-0. PMID  11223404.
  25. ^ Wickner RB, Dyda F, Tycko R (февраль 2008 г.). «Амилоид Rnq1p, основа приона PIN +, имеет параллельную регистровую структуру бета-листов». Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (7): 2403–8. Bibcode:2008PNAS..105.2403W. Дои:10.1073 / pnas.0712032105. JSTOR  25451479. ЧВК  2268149. PMID  18268327.
  26. ^ Деркач И.Л., Брэдли М.Э., Чжоу П., Чернофф Ю.О., Либман С.В. (1997). «Генетические факторы и факторы окружающей среды, влияющие на появление de novo приона [PSI +] в Saccharomyces cerevisiae». Генетика. 147 (2): 507–519. ЧВК  1208174. PMID  9335589.
  27. ^ Халфманн Р., Ярош Д.Ф., Джонс С.К., Чанг А., Ланкастер А.К., Линдквист С. (2012). «Прионы являются обычным механизмом фенотипического наследования у диких дрожжей». Природа. 482 (7385): 363 – U1507. Bibcode:2012Натура.482..363H. Дои:10.1038 / природа10875. ЧВК  3319070. PMID  22337056.
  28. ^ Браун Дж. К., Линдквист С. (2009). «Унаследованный переключатель в использовании источника углерода, вызванный необычным прионом дрожжей». Genes Dev. 23 (19): 2320–32. Дои:10.1101 / gad.1839109. ЧВК  2758746. PMID  19797769.
  29. ^ Рогоза Т., Гогинашвили А., Родионова С., Иванов М., Викторовская О., Рубель А., Волков К., Миронова Л. (2010). «Неменделирующий детерминант [Интернет-провайдер+] в дрожжах является находящейся в ядре прионной формой глобального регулятора транскрипции Sfp1 ". Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (23): 10573–7. Bibcode:2010PNAS..10710573R. Дои:10.1073 / pnas.1005949107. JSTOR  25681824. ЧВК  2890785. PMID  20498075.
  30. ^ Судзуки Г., Симадзу Н., Танака М. (2012). «Прион дрожжей, Mod5, способствует приобретенной устойчивости к лекарствам и выживанию клеток в условиях стресса окружающей среды». Наука. 336 (6079): 355–359. Bibcode:2012Sci ... 336..355S. Дои:10.1126 / science.1219491. PMID  22517861.
  31. ^ Немечек Дж., Накаяшики Т., Викнер РБ (2011). «Ретракция для Nemecek et al., Прион дрожжевого гомолога метакаспазы (Mca1p), обнаруженный с помощью генетического скрининга». Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (24): 10022. Дои:10.1073 / pnas.1107490108. ЧВК  3116407. PMID  21628591.