Диссертация (Влияние мутаций в прионизующем домене белка sup35 на свойства приона [PSI+] дрожжей Saccharomyces cerevisiae), страница 3

Прионы и амилоиды низших эукариотПрионная концепция получила свое развитие в 90-х годах двадцатого века,когда она была использована для объяснения феномена двух цитоплазматическихнаследственных факторов дрожжей Saccharomyces cerevisiae [URE3] и [PSI+](Wickner, 1994; Wickner et al., 1995).

Вместе с этим были сформулированыкритерии для определения прионных свойств (Wickner, 1994):1. Обратимое излечение приона (т.е. после исчезновения он может возникнутьde novo).2. Увеличение вероятности появления приона при повышении концентрациисоответствующего белка в клетке.3. Постоянное присутствие в клетке этого же белка необходимо дляподдержания и передачи приона.На сегодняшний день у низших эукариот описано 12 прионоподобныхдетерминантов, однако не все они отвечают указанным выше характеристикам(Табл.

1). Большинство из этих факторов формируют амилоидные агрегаты внутриклеток дрожжей (см. обзор (Liebman et al., 2012)).Биологическое значение прионов низших эукариот остается предметомдискуссии. Сторонники того, что прионы дрожжей представляют собойклеточную патологию, приводят убедительные доказательства в пользу своейгипотезы. В частности, прионы [PSI+] и [URE3] не удавалось обнаружить вестественных условиях (Nakayashiki et al., 2005).

Кроме этого, было показано, чтов 54 % случаев появления приона [PSI+] de novo приводит либо к гибели клетки,либо к значительному снижению ее скорости роста (McGlinchey et al., 2011).Сторонники противоположной точки зрения говорят о важной биологическойроли этого приона в процессе эволюции. Данная гипотеза основывается нафенотипическом проявлении фактора [PSI+] — нонсенс-супрессии (Cox, 1964;Liebman et al., 1979; Palmer et al., 1979). Этот феномен заключается враспознавании преждевременных стоп-кодонов как значащих при трансляции.15Таблица 1.

Прионоподобные детерминанты грибов.ПрионФенотипическое проявлениеБелокФункция белка в клеткеСсылка[URE3]Усвоение уреидосукцината насредах, богатых соединениямиазотаUre2Репрессор экспрессии генов,контролирующих усвоениебедных источников азота вприсутствии богатых(Lacroute, 1971;Wickner, 1994)[PSI+]Нонсенс-супрессияSup35Фактор терминации трансляции(Cox, 1964; Doel et al.,1994; Ter-Avanesyan etal., 1994; Wickner,1994)[PIN+][RNQ1]Иницация [PSI+] de novoRnq1Неизвестна(Derkatch et al., 1997;Sondheimer et al.,2000; Derkatch et al.,2001)[SWI+]Угнетение роста на средах, несодержащих глюкозу в качествеисточника углерода,устойчивость к беномилуSwi1Ремоделирование хроматина(Du et al., 2008; Albertiet al., 2009)[MOT3]Потеря функции белка Mot3Mot3Транскрипционный фактор(Alberti et al., 2009)[GAR ]Отсутствие глюкознойрепрессииPma1,Std1Протонная помпа,сигналинг(Brown et al., 2009)[OCT+]Способность использоватьCyc8лактат в качестве единственногоисточника углерода на фонемутаций в гене CYC1Транскрипционный регулятор(Patel et al., 2009)[ISP+]Подавление нонсенс-супрессии, Sfp1вызванной мутациями SUP35Транскрипционный фактор(Rogoza et al., 2010)[NSI+]Нонсенс-супрессия на фонеделеции или модификацииамино-концевого домена Sup35Неизвестна(Saifitdinova et al.,2010)+Ненайден[NUP100+] Не обнаруженоNup100 Нуклеопорин(Halfmann et al.,2012a)[MOD5]Mod5(Suzuki et al., 2012)Устойчивость кантимикотическим препаратамтРНК-изопентенил-трасфераза,модификация оснований в тРНК[Het-s] *Несовместимость при слиянии HET-s Формирование несовместимости (Coustou et al., 1997)гифпри слиянии гиф*-отмечен прионоподобный детерминант, идентифицированный у Podospora anserina, остальные факторы найденыу S.

cerevisiae.Таким образом, кратковременное возникновение приона может приводить кпроявлению скрытых признаков за счет прочитывания нонсенс-мутаций,«запирающих» многие псевдогены. Такие участки ДНК с высокой частотойнакапливают различные мутации, и в стрессовых, или просто быстро меняющихсяусловиях, их экспрессия может давать адаптивные преимущества для клетки(Fitzpatrick et al., 2011).Если этот механизм действительно существует, то,вероятно, при стрессе частота возникновения [PSI+] должна возрастать (Tyedmers16et al., 2008). Данная гипотеза имеет экспериментальное подтверждение: прикультивировании клеток дрожжей на средах с повышенным содержанием солей(осмотический шок), дитиотрейтола или перекиси водорода (окислительныйстресс) частотапоявления приона значительно выше по сравнению соптимальными условиями (Tyedmers et al., 2008).

Кроме того, этот же прион сампо себе может давать адаптивные преимущества клетке при стрессе, например приповышении температуры или воздействии этилового спирта (Eaglestone et al.,1999). Необходимо также отметить, что до недавнего времени прионы дрожжейзачастую рассматривались как некий сугубо лабораторный феномен, посколькуаналогичные агенты не были обнаружены в природе, но прионы [PSI+], [PIN+] и[MOT3] были найдены в различных природных изолятах дрожжей (Debets et al.,2012; Halfmann et al., 2012b).Многие из белков, формирующих дрожжевые прионы, вовлечены врегуляцию ключевых клеточных процессов (Табл.

1), что наталкивает на мысль оналичии биологического значения у обсуждаемого явления. Например, прионымогут играть роль «переключателей» в соответствующих клеточных процессах.Белок Swi1 участвует в ремоделировании хроматина, приводящем к активацииили замолканию определенных участков генома на уровне транскрипции (Petersonet al., 1998). Белки Cyc8, Mot3 и Sfp1 вовлечены в регуляцию транскрипции(Grishin et al., 1998; Smith et al., 2000; Jorgensen et al., 2004). Факторы [PSI+], [ISP+]и [NSI+] контролируют эффективность терминации трансляции (Cox, 1964; Rogozaet al., 2010; Saifitdinova et al., 2010).

Потенциальное значение [PSI+] для процессовадаптации и эволюции мы уже обсуждали ранее, и нельзя исключить, что [ISP+] и[NSI+] могут вести себя сходным образом. Прион [MOT3+] участвует в контролепроцессов формирования дрожжевых колоний или скоплений клеток. При этомпоявление и исчезновение этого фактора происходит в ответ на изменениеусловий окружающей среды (Holmes et al., 2013).Некоторые из прионов исходно были описаны как детерминанты, имеющиеопределенную биологическую значимость. Для [Het-s] — это участие в17механизме,отвечающемзаневозможностьформированиягетерокарионов(Coustou et al., 1997).

Фенотипическое проявление [MOD5] заключается вустойчивости к антибиотикам (Suzuki et al., 2012). Прион [SWI+] дает клеткеустойчивость к беномилу (Alberti et al., 2009). Белки некоторых грибов,получившие название гидрофобины, формируют амилоидные агрегаты, которыеспособствуют адгезии клеток к субстрату, участвуют в формировании спор иплодовых тел. У Candida albicans амилоидные агрегаты белка Als5 такжевовлечены в процессы адгезии (см. обзор (Blanco et al., 2012)). В совокупностиэти данные говорят о том, что явления прионизации и амилоидогенезапредставляют собой некий адаптивный, или регуляторный механизм, а егопатологические проявления — лишь частный случай.3.1.3. Амилоиды прокариотСреди прокариот также известны случаи формирования функциональныхамилоидов.

Например, у одного из классических модельных объектов Escherichiacoli описаны белки кюрлины (CsgA, CsgB, CsgE, CsgF), которые участвуют вобразовании поверхностных структур клетки, так называемых кюрли (curli). Этибелковые нити обеспечивают формирование биопленок. В экспериментах in vitroмолекулы CsgA собираются в протяженные фибриллы, как и другие известныеамилоиды.

В то же время in vivo агрегация CsgA контролируется другимибелками. CsgE и CsgF выполняют вспомогательную функцию шаперонов, а CsgBиграет роль затравки для полимеризации CsgA (Chapman et al., 2002). Похожиеструктуры описаны также у представителей родов Pseudomonas и Bacillus (см.обзор (Blanco et al., 2012)). У другого представителя эубактерий Streptomycescoelicolor аналогичными свойствами обладают секретируемые белки чаплины(chaplins)(ChpA-H), которые участвуют в формировании воздушных гиф (Claessenet al., 2003). Амилоидные фибриллы также могут участвовать в процессах адгезии,как например, пили Mycobacterium tuberculosis (см. обзор (Blanco et al., 2012)).Рассмотренные выше примеры говорят о широком распространении явленийприонизации и амилоидогенеза среди различных представителей живых18организмов.

При этом в большинстве случаев эти процессы обладают доказаннойили предполагаемой биологической значимостью и не являются патогенными. Всеэто подогревает интерес к изучению этих амилоидов и, в частности, прионов, атакже механизмов, лежащих в основе их стабилизации. Представленная работаотчасти посвящена именно этой проблеме.3.2. Краткая история исследований фактора [PSI+]Впервые [PSI+] был описан у дрожжей S.