Грибковый прион
Прион, поражающий грибковые организмы
Образование приона PSI+ приводит к тому, что клетки S. cerevisiae с бессмысленной мутацией в гене ade1 преобразуют красный пигмент (колония внизу) в бесцветное соединение, в результате чего колонии становятся белыми (вверху)

Грибковый прион — это прион , который заражает хозяев , являющихся грибами . Грибковые прионы — это встречающиеся в природе белки , которые могут переключаться между несколькими структурно различными конформациями, по крайней мере одна из которых является саморазмножающейся и передается другим прионам. Эта передача состояния белка представляет собой эпигенетический феномен, при котором информация кодируется в самой структуре белка, а не в нуклеиновых кислотах. Несколько прионообразующих белков были идентифицированы в грибах, в первую очередь в дрожжах Saccharomyces cerevisiae . Эти грибковые прионы обычно считаются доброкачественными, а в некоторых случаях даже дают организму селективное преимущество. [1]

Грибковые прионы предоставили модель для понимания болезнетворных прионов млекопитающих . Изучение грибковых прионов привело к характеристике особенностей последовательности и механизмов, которые позволяют прионным доменам переключаться между функциональным и амилоидобразующим состояниями.

Особенности последовательности

Прионы образуются переносимыми, передаваемыми прионными доменами, которые часто обогащены остатками аспарагина, глутамина, тирозина и глицина. Когда репортерный белок сливается с прионным доменом, он образует химерный белок, демонстрирующий конформационное переключение, характерное для прионов. Между тем, удаление этого прионного домена предотвращает прионогенез. Это говорит о том, что эти прионные домены на самом деле переносимы и являются единственным инициатором прионогенеза. Это подтверждает гипотезу только белка. [ необходима цитата ]

Недавнее исследование кандидатов на прионные домены в S. cerevisiae обнаружило несколько специфических особенностей последовательностей, которые были общими для белков, демонстрирующих свойства агрегации и самошаблонной структуры. Например, белки, которые агрегировали, имели кандидатные прионные домены, которые были более обогащены аспарагином, в то время как неагрегирующие домены были более обогащены глутамином и заряженными пептидами. Также были получены доказательства того, что размещение заряженных пептидов, которые предотвращают образование амилоида, таких как пролин, важно в прионогенезе. Это открытие специфичности последовательностей было отходом от предыдущей работы, которая предполагала, что единственным определяющим фактором в прионогенезе было общее распределение пептидов. [2]

HET-s прионПодоспора гусиная

Podospora anserina — нитчатый гриб. Генетически совместимые колонии этого гриба могут сливаться и делиться клеточным содержимым, таким как питательные вещества и цитоплазма . Существует естественная система защитных белков «несовместимости», которая предотвращает беспорядочное совместное использование между неродственными колониями. Один из таких белков, 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 заставляет клетки-«захватчики» погибать, гарантируя, что только родственные колонии получат 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. [6] Несмотря на многолетние усилия, Кокс не смог идентифицировать обычную мутацию , которая была бы ответственна за признак [PSI+]. В 1994 году генетик дрожжей Рид Викнер правильно предположил, что [PSI+], а также другой загадочный наследуемый признак, [URE3], возникли из-за прионных форм нормальных клеточных белков , Sup35p и Ure2p , соответственно. [7] Названия прионов дрожжей часто заключаются в скобки, чтобы указать, что они неменделируют при переходе в клетки-потомки, как плазмидная и митохондриальная ДНК. [ необходима цитата ]

Дальнейшие исследования показали, что [PSI+] является результатом самораспространяющейся неправильно свернутой формы Sup35p (белок длиной 201 аминокислота), что является важным фактором для терминации трансляции во время синтеза белка . [8] В клетках дрожжей [PSI+] белок Sup35 образует нитевидные агрегаты, известные как амилоид . Конформация амилоида является самораспространяющейся и представляет собой состояние приона. Для белка Sup35 существуют удивительно различные состояния приона с различными свойствами, и эти различия являются самораспространяющимися. [9] Другие прионы также могут образовывать различные варианты (или штаммы). [10] Считается, что подавление бессмысленных мутаций в клетках [PSI+] происходит из-за уменьшенного количества функционального Sup35, поскольку большая часть белка находится в амилоидном состоянии. Белок Sup35 собирается в амилоид через аминоконцевой прионный домен. Структура основана на укладке прионных доменов в регистровую и параллельную конформацию бета-слоя. [11]

Важным открытием Черноффа, в сотрудничестве между лабораториями Либмана и Линдквиста, было то, что для поддержания [PSI+] требуется шаперон белка . [12] Поскольку единственная функция шаперонов заключается в том, чтобы помогать белкам правильно складываться, это открытие решительно поддержало гипотезу Викнера о том, что [PSI+] является наследуемым состоянием белка (т. е. прионом). Аналогичным образом, это открытие также предоставило доказательства общей гипотезы о том, что прионы, включая первоначально предложенный прион млекопитающих PrP , являются наследуемыми формами белка. Из-за действия шаперонов, особенно Hsp104, белки, кодирующие [PSI+] и [URE3], могут преобразовываться из не-прионных в прионные формы. По этой причине прионы дрожжей являются хорошими моделями для изучения таких факторов, как шапероны, которые влияют на агрегацию белков. [10] Кроме того, IPOD является субклеточным сайтом, в котором амилоидогенные белки секвестрируются в дрожжах, и где прионы, такие как [PSI+], могут подвергаться созреванию. [13] Таким образом, прионы также служат субстратами для понимания внутриклеточной обработки белковых агрегатов, таких как амилоид. [ необходима цитата ]

Лаборатории обычно идентифицируют [PSI+] по росту штамма, ауксотрофного по аденину, на средах, не содержащих аденин, подобно тем, что использовали Кокс и др. Эти штаммы не могут синтезировать аденин из-за бессмысленной мутации в одном из ферментов, участвующих в биосинтетическом пути. Когда штамм выращивается на среде с дрожжевым экстрактом/декстрозой/пептоном (YPD), заблокированный путь приводит к накоплению промежуточного соединения красного цвета, которое экспортируется из клетки из-за его токсичности. Таким образом, цвет является альтернативным методом идентификации [PSI+] — штаммы [PSI+] имеют белый или розоватый цвет, а штаммы [psi-] — красный. Третий метод идентификации [PSI+] заключается в наличии Sup35 в осажденной фракции клеточного лизата.

При воздействии определенных неблагоприятных условий в некоторых генетических фонах клетки [PSI+] на самом деле чувствуют себя лучше, чем их свободные от прионов братья и сестры; [14] это открытие предполагает, что способность принимать форму приона [PSI+] может быть результатом положительного эволюционного отбора . [15] Было высказано предположение, что способность преобразовываться между инфицированными прионами и свободными от прионов формами действует как эволюционный конденсатор , позволяющий дрожжам быстро и обратимо адаптироваться в изменчивых условиях. Тем не менее, Рид Викнер утверждает, что [URE3] и [PSI+] являются заболеваниями, [16] хотя это утверждение было оспорено с использованием теоретических популяционно-генетических моделей. [17]

[ПИН+] / [RNQ+]

Термин [PIN+] был придуман Либманом и коллегами из Psi-INducibility для описания генетического требования для образования приона [PSI+]. [18] Они показали, что [PIN+] требуется для индукции большинства вариантов приона [PSI+]. Позже они идентифицировали [PIN+] как прионную форму белка RNQ1 [19] [20] [21] Более точное название [RNQ+] теперь иногда используется, поскольку другие факторы или прионы также могут иметь фенотип, индуцирующий Psi. [ необходима цитата ]

Неприонная функция Rnq1 окончательно не охарактеризована. Хотя причины этого плохо изучены, предполагается, что агрегаты [PIN+] могут действовать как «семена» для полимеризации [PSI+] и других прионов. [22] [23] [24] Основой приона [PIN+] является амилоидная форма Rnq1, расположенная в параллельных бета-слоях в регистре, как амилоидная форма Sup35. [25] Из-за схожих амилоидных структур прион [PIN+] может способствовать формированию [PSI+] посредством механизма шаблонизации. [ необходима цитата ]

Были созданы две модифицированные версии Sup35, которые могут индуцировать PSI+ в отсутствие [PIN+] при сверхэкспрессии. Одна версия была создана путем переваривания гена рестриктазой Bal2 , что приводит к образованию белка, состоящего только из частей M и N Sup35. [26] Другая версия представляет собой слияние Sup35NM с HPR, белком рецептора мембраны человека. [ требуется цитата ]

Эпигенетика

Прионы действуют как альтернативная форма неменделевского, фенотипического наследования из-за их способности к самообразованию. Это делает прионы метастабильным, доминирующим механизмом наследования, который полагается исключительно на конформацию белка. Многие белки, содержащие прионные домены, играют роль в экспрессии генов или связывании РНК, и именно так альтернативная конформация может привести к фенотипической изменчивости. Например, состояние [psi-] Sup35 в дрожжах является фактором терминации трансляции. Когда Sup35 претерпевает конформационное изменение в состояние приона [PSI+], он образует амилоидные фибриллы и секвестрируется, что приводит к более частому считыванию стоп-кодона и развитию новых фенотипов. С более чем 20 прионоподобными доменами, идентифицированными в дрожжах, это дает возможность для значительного количества вариаций из одного протеома. Было высказано предположение, что эта повышенная вариация дает селективное преимущество популяции генетически однородных дрожжей. [27]

Список охарактеризованных прионов

БелокПриродный хозяинНормальное функционированиеПрионовое государствоФенотип прионаГод определения
Уре2Сахаромицеты cerevisiaeРепрессор катаболита азота[УРЭ3]Рост на бедных азотом источниках1994
Sup35Сахаромицеты cerevisiaeФактор прекращения трансляции[ПСИ+]Повышенный уровень подавления абсурда1994
HET-SПодоспора гусинаяРегулирует гетерокарионную несовместимость[Гет-с]Образование гетерокарионов между несовместимыми штаммами1997
вакуолярная протеаза BСахаромицеты cerevisiaeсмерть в стационарной фазе, сбой в мейозе[β]неспособность расщеплять клеточные белки при недостатке азота2003
MAP-киназыПодоспора гусинаяповышенная пигментация, медленный рост[С]2006
Rnq1pСахаромицеты cerevisiaeФактор шаблона белка[RNQ+], [PIN+]Способствует агрегации других прионов2000
Мка1*Сахаромицеты cerevisiaeПредполагаемая дрожжевая каспаза[МКА+]Неизвестный2008
Swi1Сахаромицеты cerevisiaeРемоделирование хроматина[SWI+]Слабый рост некоторых источников углерода2008
Цикл8Сахаромицеты cerevisiaeТранскрипционный репрессор[ОКТ+]Транскрипционная дерепрессия нескольких генов2009
Mot3Сахаромицеты cerevisiaeЯдерный фактор транскрипции[МОТ3+]Транскрипционная дерепрессия анаэробных генов2009
Pma1+Std1 [28]Сахаромицеты cerevisiaePma1 = основной протонный насос плазматической мембраны, Std1 = второстепенный насос[ГАР+]Устойчив к репрессии, связанной с глюкозой2009
Sfp1 [29]Сахаромицеты cerevisiaeГлобальный регулятор транскрипции[Интернет-провайдер+]Антисупрессор некоторых мутаций sup352010
Мод5 [30]Сахаромицеты cerevisiae[МОД+]2012

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Michelitsch MD, Weissman JS (2000). «Перепись регионов, богатых глутамином/аспарагином: последствия для их консервативной функции и предсказания новых прионов». Proc Natl Acad Sci USA . 97 (22): 11910–5. Bibcode : 2000PNAS ...9711910M. doi : 10.1073/pnas.97.22.11910 . JSTOR  123764. PMC  17268. PMID  11050225.
  2. ^ Альберти С., Халфманн Р., Кинг О., Капила А., Линдквист С. (2009). «Систематическое исследование выявляет прионы и освещает особенности последовательности прионогенных белков». Cell . 137 (1): 146–158. doi :10.1016/j.cell.2009.02.044. PMC 2683788 . PMID  19345193. 
  3. ^ Кусту В., Деле С., Сопе С., Бегере Дж. (1997). «Продукт белка гена несовместимости гетерокариона het-s грибка Podospora anserina ведет себя как аналог приона». Proc Natl Acad Sci USA . 94 (18): 9773–8. Bibcode : 1997PNAS...94.9773C. doi : 10.1073 /pnas.94.18.9773 . JSTOR  43101. PMC 23266. PMID  9275200. 
  4. ^ Greenwald J, Buhtz C, Ritter C, Kwiatkowski W, Choe S, Maddelein ML, Ness F, Cescau S, Soragni A, Leitz D, Saupe SJ, Riek R (2010). «Механизм ингибирования прионов HET-S». Molecular Cell . 38 (6): 889–99. doi :10.1016/j.molcel.2010.05.019. PMC 3507513. PMID  20620958 . 
  5. ^ Maddelein ML, Dos Reis S, Duvezin-Caubet S, Coulary-Salin B, Saupe SJ (2002). «Амилоидные агрегаты прионного белка HET-s инфекционны». Proc Natl Acad Sci USA . 99 (11): 7402–7. Bibcode : 2002PNAS...99.7402M. doi : 10.1073/pnas.072199199 . JSTOR  3058837. PMC 124243. PMID  12032295 . 
  6. ^ Cox BS, Tuite MF, McLaughlin CS (1988). «Пси-фактор дрожжей: проблема наследования». Дрожжи . 4 (3): 159–78. doi :10.1002/yea.320040302. PMID  3059716. S2CID  84886030.
  7. ^ Wickner RB (1994). "[URE3] как измененный белок URE2: доказательства аналога приона в Saccharomyces cerevisiae". Science . 264 (5158): 566–9. Bibcode :1994Sci...264..566W. doi :10.1126/science.7909170. PMID  7909170.
  8. ^ Паушкин СВ, Кушниров ВВ, Смирнов ВН, Тер-Аванесян МД (1996). «Распространение дрожжевого прионоподобного детерминанта PSI+ опосредовано олигомеризацией фактора высвобождения полипептидной цепи, кодируемого SUP35». EMBO Journal . 15 (12): 3127–34. doi :10.1002/j.1460-2075.1996.tb00675.x. PMC 450255 . PMID  8670813. 
  9. ^ Деркач ИЛ, Чернофф ЮО, Кушниров ВВ, Инге-Вечтомов СГ, Либман С.В. (1996). "Генезис и изменчивость факторов прионов [PSI] в Saccharomyces cerevisiae". Генетика . 144 (4): 1375–86. doi :10.1093/genetics/144.4.1375. PMC 1207691 . PMID  8978027. 
  10. ^ ab Liebman SW, Chernoff YO (2012). «Прионы в дрожжах». Genetics . 191 (4): 1041–72. doi :10.1534/genetics.111.137760. PMC 3415993 . PMID  22879407. 
  11. ^ Shewmaker F, Wickner RB, Tycko R (декабрь 2006 г.). «Амилоид прионного домена Sup35p имеет внутрирегистровую параллельную β-слойную структуру». Proc Natl Acad Sci USA . 103 (52): 19754–9. Bibcode : 2006PNAS..10319754S . doi : 10.1073/pnas.0609638103 . JSTOR  30051383. PMC 1750918. PMID  17170131. 
  12. ^ Chernoff YO, Lindquist SL, Ono B, Inge-Vechtomov SG, Liebman SW (1995). "Роль белка-шаперона Hsp104 в распространении дрожжевого прионоподобного фактора [psi+]". Science . 268 (5212): 880–4. Bibcode :1995Sci...268..880C. doi :10.1126/science.7754373. PMID  7754373.
  13. ^ Tyedmers J, Treusch S, Dong J, McCaffery JM, Bevis B, Lindquist S (май 2010 г.). «Индукция прионов включает древнюю систему секвестрации агрегированных белков и наследуемые изменения в фрагментации прионов». Proc Natl Acad Sci USA . 107 (19): 8633–8. Bibcode : 2010PNAS..107.8633T. doi : 10.1073/pnas.1003895107 . JSTOR  25681468. PMC 2889312. PMID  20421488 . 
  14. ^ True HL, Lindquist SL (2000). «Дрожжевой прион обеспечивает механизм генетической изменчивости и фенотипического разнообразия». Nature . 407 (6803): 477–83. Bibcode :2000Natur.407..477T. doi :10.1038/35035005. PMID  11028992. S2CID  4411231.
  15. ^ Ланкастер АК, Бардилл ДЖП, Тру КЛ, Масел ДЖ (2010). «Спонтанная скорость появления дрожжевого приона [PSI+] и ее значение для эволюции свойств эволюционируемости системы [PSI+]». Генетика . 184 (2): 393–400. doi :10.1534/genetics.109.110213. PMC 2828720 . PMID  19917766. 
  16. ^ Nakayashiki T, Kurtzman CP, Edskes HK, Wickner RB (2005). «Дрожжевые прионы [URE3] и [PSI+] являются заболеваниями». Proc Natl Acad Sci USA . 102 (30): 10575–80. Bibcode : 2005PNAS..10210575N . doi : 10.1073/pnas.0504882102 . JSTOR  3376125. PMC 1180808. PMID  16024723. 
  17. ^ Griswold CK, Masel J (2009). «Сила отбора против дрожжевого приона [PSI+]». Genetics . 181 (3): 1057–1063. doi :10.1534/genetics.108.100297. PMC 2651042 . PMID  19153253. 
  18. ^ Derkatch IL, Bradley ME, Zhou P, Chernoff YO, Liebman SW (1997). «Генетические и экологические факторы, влияющие на появление de novo приона [PSI+] в Saccharomyces cerevisiae». Genetics . 147 (2): 507–19. doi :10.1093/genetics/147.2.507. PMC 1208174 . PMID  9335589. 
  19. ^ Derkatch IL, Bradley ME, Hong JY, Liebman SW (2001). «Прионы влияют на появление других прионов: история [PIN(+)]». Cell . 106 (2): 171–82. doi : 10.1016/s0092-8674(01)00427-5 . PMID  11511345. S2CID  18501467.
  20. ^ Зондхаймер Н., Линдквист С. (2000). «Rnq1: эпигенетический модификатор функции белка в дрожжах». Mol Cell . 5 (1): 163–72. doi : 10.1016/s1097-2765(00)80412-8 . PMID  10678178.
  21. ^ Patel BK, Liebman SW (2007). ""Prion-proof" для [PIN+]: инфекция in vitro-созданными амилоидными агрегатами Rnq1p-(132-405) индуцирует [PIN+]". J Mol Biol . 365 (3): 773–82. doi :10.1016/j.jmb.2006.10.069. PMC 2570204 . PMID  17097676. 
  22. ^ Derkatch IL, Liebman SW (2007). «Взаимодействие прионов и прионов». Prion . 1 (3): 161–9. doi :10.4161/pri.1.3.4837. PMC 2634589 . PMID  19164893. 
  23. ^ Serio TR (2018). " [PIN+]ing down the mechanism of prion appearance". FEMS Yeast Res . 18 (3). doi :10.1093/femsyr/foy026. PMC 5889010. PMID  29718197. 
  24. ^ Chernoff YO (2001). «Процессы мутаций на уровне белка: вернулся ли Ламарк?». Mutation Research . 488 (1): 39–64. Bibcode : 2001MRRMR.488...39C. doi : 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 внутрирегистровую структуру бета-слоя». Proc Natl Acad Sci USA . 105 (7): 2403–8. Bibcode :2008PNAS..105.2403W. doi : 10.1073/pnas.0712032105 . JSTOR  25451479. PMC 2268149 . PMID  18268327. 
  26. ^ Derkatch IL, Bradley ME, Zhou P, Chernoff YO, Liebman SW (1997). «Генетические и экологические факторы, влияющие на появление de novo приона [PSI+] в Saccharomyces cerevisiae». Genetics . 147 (2): 507–519. doi :10.1093/genetics/147.2.507. PMC 1208174 . PMID  9335589. 
  27. ^ Halfmann R, Jarosz DF, Jones SK, Chang A, Lancaster AK, Lindquist S (2012). «Прионы — это распространенный механизм фенотипического наследования у диких дрожжей». Nature . 482 (7385): 363–U1507. Bibcode :2012Natur.482..363H. doi :10.1038/nature10875. PMC 3319070 . PMID  22337056. 
  28. ^ Браун Дж. К., Линдквист С. (2009). «Наследуемое переключение в использовании источника углерода, вызванное необычным прионом дрожжей». Genes Dev . 23 (19): 2320–32. doi :10.1101/gad.1839109. PMC 2758746. PMID  19797769 . 
  29. ^ Рогоза Т., Гогинашвили А., Родионова С., Иванов М., Викторовская О., Рубель А., Волков К., Миронова Л. (2010). «Неменделевский детерминант [ISP+] у дрожжей — это ядерная прионная форма глобального транскрипционного регулятора Sfp1». Proc Natl Acad Sci USA . 107 (23): 10573–7. Bibcode : 2010PNAS..10710573R. doi : 10.1073/pnas.1005949107 . JSTOR  25681824. PMC 2890785. PMID  20498075 . 
  30. ^ Suzuki G, Shimazu N, Tanaka M (2012). «Дрожжевой прион Mod5 способствует приобретенной лекарственной устойчивости и выживанию клеток в условиях экологического стресса». Science . 336 (6079): 355–359. Bibcode :2012Sci...336..355S. doi :10.1126/science.1219491. PMID  22517861. S2CID  206540234.
  31. ^ Nemecek J, Nakayashiki T, Wickner RB (2011). "Retraction for Nemecek et al., A prion of yeast metacaspase homolog (Mca1p) detected by a genetic screen". Proc Natl Acad Sci USA . 108 (24): 10022. Bibcode :2011PNAS..108R0022.. doi : 10.1073/pnas.1107490108 . PMC 3116407 . PMID  21628591. 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Грибковая_прион&oldid=1243910024"