Грибной прион - Fungal prion
Грибковые прионов является прионов , который заражает грибковые хозяева. Прионы грибов - это природные белки, которые могут переключаться между множественными структурно разными конформациями, по крайней мере одна из которых является самораспространяющейся и передается другим прионам. Эта передача состояния белка представляет собой эпигенетический феномен, когда информация кодируется в самой структуре белка, а не в нуклеиновых кислотах. Некоторые прионообразующие белки были идентифицированы у грибов, в первую очередь у дрожжей Saccharomyces cerevisiae . Эти грибковые прионы обычно считаются доброкачественными и в некоторых случаях даже дают организму селективное преимущество.
Прионы грибов послужили моделью для понимания болезнетворных прионов млекопитающих . 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 S. cerevisiae обнаружило несколько специфических особенностей последовательностей, которые были общими для белков, проявляющих агрегационные и самозатратные свойства. 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, играет важную роль в прионогенезе. Это открытие специфичности последовательности было отходом от предыдущей работы, в которой предполагалось, что единственным определяющим фактором прионогенеза было общее распределение пептидов.
Прион HET-s Podospora anserina
Podospora anserina - мицелиальный гриб. Генетически совместимые колонии этого гриба могут сливаться и совместно использовать клеточное содержимое, такое как питательные вещества и цитоплазма . Для предотвращения беспорядочного обмена между неродственными колониями существует естественная система защитных белков «несовместимости». Один из таких белков, называемый HET-s , принимает прионоподобную форму для правильного функционирования. Прионная форма HET-s быстро распространяется по клеточной сети колонии и может преобразовывать неприонную форму белка в прионное состояние после слияния совместимых колоний. Однако, когда несовместимая колония пытается слиться с прион-содержащей колонией, 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 дрожжами Saccharomyces cerevisiae , описал генетический признак (названный [PSI +]) с необычным типом наследования . Первоначальное открытие [PSI +] было сделано в штамме, ауксотрофном по аденину из-за бессмысленной мутации. Несмотря на многолетние усилия, Кокс не смог идентифицировать обычную мутацию , отвечающую за признак [PSI +]. В 1994 году генетик дрожжей Рид Викнер правильно предположил, что [PSI +], а также другая загадочная наследственная черта, [URE3], являются результатом прионных форм нормальных клеточных белков , Sup35p и Ure2p , соответственно. 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.
Дальнейшие исследования показали, что [PSI +] является результатом самораспространяющейся неправильно свернутой формы Sup35p (белок длиной 201 аминокислотный остаток), который является важным фактором терминации трансляции во время синтеза белка . 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. Другие прионы также могут образовывать различные варианты (или штаммы). 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.
Важное открытие Черноффа в сотрудничестве между лабораториями Либмана и Линдквиста заключалось в том, что для поддержания [PSI +] необходим белковый шаперон . 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 предложенный прион PrP млекопитающих , являются наследуемыми формами белка. Благодаря действию шаперонов, особенно Hsp104, белки, кодирующие [PSI +] и [URE3], могут преобразовываться из неприонных в прионные формы. По этой причине прионы дрожжей являются хорошими моделями для изучения факторов, таких как шапероны, которые влияют на агрегацию белков. Кроме того, IPOD является субклеточным сайтом, в котором амилоидогенные белки секвестрируются в дрожжах, и где прионы, подобные [PSI +], могут подвергаться созреванию. 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 +] - штаммы [PSI +] имеют белый или розоватый цвет, а штаммы [psi-] имеют красный цвет. Третий метод идентификации [PSI +] заключается в присутствии 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; это открытие предполагает, что способность принимать прионную форму [PSI +] может быть результатом положительного эволюционного отбора . Было высказано предположение, что способность к преобразованию между инфицированными прионами и свободными от прионов формами действует как эволюционный конденсатор, позволяющий дрожжам быстро и обратимо адаптироваться в изменчивой среде. Тем не менее, Рид Викнер утверждает, что [URE3] и [PSI +] являются заболеваниями, хотя это утверждение было оспорено с помощью теоретических популяционно-генетических моделей.
[PIN +] / [RNQ +]
Термин [PIN +] был введен Либманом и его коллегами из Psi-INducibility, чтобы описать генетические требования для образования приона [PSI +]. Они показали, что [PIN +] необходим для индукции большинства вариантов приона [PSI +]. Позже они определили [PIN +] как прионную форму белка RNQ1. 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. В основе приона [PIN +] лежит амилоидная форма Rnq1, расположенная в параллельных бета-листах в регистре, как амилоидная форма Sup35. 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 рестрикционным ферментом Bal2, в результате чего был получен белок, состоящий только из M и N частей Sup35. Другой - слияние Sup35NM с HPR, белком мембранного рецептора человека.
Эпигенетика
Прионы выступают в качестве альтернативной формы неменделирующего фенотипического наследования из-за их способности к самотемплингу. 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 в дрожжах, это дает возможность значительного количества вариаций от одного протеома. Было высказано предположение, что эта повышенная вариабельность дает селектируемое преимущество популяции генетически однородных дрожжей.
Список охарактеризованных прионов
| Протеин | Естественный хозяин | Нормальная функция | Прионное состояние | Прионный фенотип | Год определения |
|---|---|---|---|---|---|
| Ure2 | Saccharomyces cerevisiae | Репрессор катаболита азота | [URE3] | Рост на бедных источниках азота | 1994 г. |
| Sus35 | Saccharomyces cerevisiae | Фактор прекращения перевода | [PSI +] | Повышенный уровень подавления бессмыслицы | 1994 г. |
| HET-S | Podospora anserina | Регулирует несовместимость гетерокарионов | [Het-s] | Образование гетерокарионов между несовместимыми штаммами | 1997 г. |
| вакуолярная протеаза B | Saccharomyces cerevisiae | смерть в стационарной фазе, сбой в мейозе | [β] | неспособность расщеплять клеточные белки в условиях N голодания | 2003 г. |
| MAP киназы | Podospora anserina | повышенная пигментация, медленный рост | [C] | 2006 г. | |
| Rnq1p | Saccharomyces cerevisiae | Фактор шаблона белка | [RNQ +], [PIN +] | Способствует агрегации других прионов | 2000 г. |
| Mca1 * | Saccharomyces cerevisiae | Предполагаемая дрожжевая каспаза | [MCA +] | Неизвестный | 2008 г. |
| Swi1 | Saccharomyces cerevisiae | Ремоделирование хроматина | [SWI +] | Плохой рост на некоторых источниках углерода | 2008 г. |
| Cyc8 | Saccharomyces cerevisiae | Транскрипционный репрессор | [OCT +] | Транскрипционная дерепрессия нескольких генов | 2009 г. |
| Mot3 | Saccharomyces cerevisiae | Фактор ядерной транскрипции | [MOT3 +] | Транскрипционная дерепрессия анаэробных генов | 2009 г. |
| Pma1 + Std1 | Saccharomyces cerevisiae | Pma1 = основной протонный насос плазматической мембраны, Std1 = вспомогательный насос | [GAR +] | Устойчивость к репрессии, связанной с глюкозой | 2009 г. |
| Sfp1 | Saccharomyces cerevisiae | Глобальный регулятор транскрипции | [ISP +] | Антисупрессор некоторых мутаций sup35 | 2010 г. |
| Mod5 | Saccharomyces cerevisiae | [MOD +] | 2012 г. |
[* Первоначальная статья, в которой предполагалось, что Mca1 является прионом, была отозвана]