Прионы грибов: структура, механизмы и роль в защите колоний.

Введение

Прион, инфицирующий грибковые организмы

Грибковый прион – это прион, инфицирующий организмы, являющиеся грибами. Грибковые прионы – это природные белки, способные переключаться между несколькими структурно различными конформациями, по крайней мере одна из которых самовоспроизводится и передается другим прионам. Эта передача состояния белка представляет собой эпигенетическое явление, при котором информация кодируется в самой структуре белка, а не в нуклеиновых кислотах. В грибах, преимущественно в дрожжах Saccharomyces cerevisiae, было идентифицировано несколько белков, способных образовывать прионы. Эти грибковые прионы обычно считаются безвредными, а в некоторых случаях даже придают организму селективное преимущество. Грибковые прионы стали моделью для понимания механизмов формирования болезнетворных прионов у млекопитающих. Изучение грибковых прионов позволило охарактеризовать особенности последовательности и механизмы, позволяющие прионным доменам переключаться между функциональным и амилоидообразующим состояниями.

Особенности последовательности

Прионы формируются переносными, передаваемыми прионными доменами, которые часто обогащены остатками аспарагина, глутамина, тирозина и глицина. При слиянии репортерного белка с прионным доменом образуется химерный белок, демонстрирующий конформационное переключение, характерное для прионов. Удаление этого прионного домена предотвращает прионогенез, что указывает на то, что эти прионные домены действительно переносимы и являются единственным инициатором прионогенеза. Это подтверждает гипотезу о том, что прионы состоят только из белка. Недавнее исследование доменов-кандидатов в прионах у S. cerevisiae выявило несколько специфических особенностей последовательности, общих для белков, проявляющих агрегацию и способность к самоорганизации. Например, у белков, склонных к агрегации, домены-кандидаты в прионах были более обогащены аспарагином, а у белков, не образующих агрегатов – глутамином и заряженными пептидами. Также было показано, что расстояние между заряженными пептидами, препятствующими образованию амилоидов, такими как пролин, играет важную роль в прионогенезе. Это открытие последовательной специфичности отличается от предыдущих работ, в которых считалось, что единственным определяющим фактором прионогенеза является общее распределение пептидов.

HET-прион Podospora anserina

Podospora anserina – нитевидный гриб. Генетически совместимые колонии этого гриба могут сливаться и обмениваться содержимым клеток, таким как питательные вещества и цитоплазма. Существует естественная система защитных белков "несовместимости", предотвращающая неконтролируемый обмен между несвязанными колониями. Один из таких белков, называемый HET s, для нормального функционирования принимает прионоподобную конформацию. Прионная форма HET s быстро распространяется по клеточной сети колонии и может превращать не-прионную форму белка в прионное состояние после слияния совместимых колоний. Однако, когда несовместимая колония пытается слиться с колонией, содержащей прионы, прион вызывает гибель клеток "вторженца", обеспечивая, чтобы выгоду от совместного использования ресурсов получали только родственные колонии.

[PSI+] и [URE3]

В 1965 году Брайан Кокс, генетик, работавший с дрожжами Saccharomyces cerevisiae, описал генетический признак (обозначаемый как [PSI+]) с необычным типом наследования. Первоначальное обнаружение [PSI+] было сделано в штамме, ауксотрофном по аденину из-за нонсенс-мутации. Несмотря на многолетние усилия, Кокс не смог идентифицировать обычную мутацию, ответственную за признак [PSI+]. В 1994 году генетик-миколог Рид Викнер правильно предположил, что [PSI+], а также другой загадочный наследственный признак, [URE3], являются результатом прионных форм нормальных клеточных белков Sup35p и Ure2p соответственно. Названия дрожжевых прионов часто заключаются в квадратные скобки, чтобы указать на то, что их передача потомству не следует законам Менделя, подобно плазмидам и митохондриальной ДНК. Дальнейшие исследования показали, что [PSI+] является результатом самовоспроизводящейся неправильно свернутой формы Sup35p (белка длиной 201 аминокислоты), который является важным фактором для завершения трансляции во время синтеза белка. В дрожжевых клетках [PSI+] белок Sup35 образует нитевидные агрегаты, известные как амилоиды. Амилоидная конформация самовоспроизводится и представляет собой прионное состояние. Удивительно, для белка Sup35 существуют различные прионные состояния с различными свойствами, и эти различия также самовоспроизводятся. Другие прионы также могут образовывать различные варианты (или штаммы). Важным открытием Черноффа, в сотрудничестве с лабораториями Либмана и Линдквиста, было то, что для поддержания [PSI+] необходим белковый шаперон. Поскольку единственная функция шаперонов – помогать белкам правильно сворачиваться, это открытие сильно поддержало гипотезу Викнера о том, что [PSI+] является наследственным состоянием белка (то есть, прионом). Аналогично, это открытие также предоставило доказательства общей гипотезы о том, что прионы, включая первоначально предложенный прион PrP у млекопитающих, являются наследственными формами белка. Благодаря действию шаперонов, особенно Hsp104, белки, кодирующие [PSI+] и [URE3], могут преобразовываться из не-прионных форм в прионные. По этой причине дрожжевые прионы являются хорошими моделями для изучения факторов, таких как шапероны, влияющих на агрегацию белка. Кроме того, IPOD – это субклеточное место, куда секвестрируются амилоидогенные белки в дрожжах, и где прионы, такие как [PSI+], могут подвергаться созреванию. Таким образом, прионы также служат субстратами для понимания внутриклеточной обработки белковых агрегатов, таких как амилоид. Лаборатории обычно идентифицируют [PSI+] путем культивирования штамма, ауксотрофного по аденину, на среде без аденина, аналогично использованному Коксом и др. Эти штаммы не могут синтезировать аденин из-за нонсенс-мутации в одном из ферментов, участвующих в биосинтетическом пути. При культивировании штамма на среде YPD (экстракт дрожжей/декстроза/пептон) блокированный путь приводит к накоплению красного промежуточного соединения, которое из-за своей токсичности выводится из клетки. Следовательно, цвет является альтернативным методом идентификации [PSI+]. Штаммы [PSI+] имеют белый или розоватый цвет, а штаммы [psi-] – красный. Третий метод идентификации [PSI+] заключается в обнаружении Sup35 во фракции гранул клеточного лизата. При воздействии определенных неблагоприятных условий, в некоторых генетических фонах клетки [PSI+] на самом деле показывают лучшие результаты, чем их неинфицированные прионами аналоги; это открытие предполагает, что способность принимать прионную форму [PSI+] может быть результатом положительного эволюционного отбора. Предполагается, что способность переключаться между прион-инфицированными и прион-свободными формами действует как эволюционный конденсатор, позволяя дрожжам быстро и обратимо адаптироваться в переменных условиях. Тем не менее, Рид Викнер утверждает, что [URE3] и [PSI+] являются болезнями, хотя это утверждение было оспорено с использованием теоретических моделей популяционной генетики.

In 1965, Brian Cox, a geneticist working with the yeast Saccharomyces cerevisiae, described a genetic trait (termed [PSI+]) with an unusual pattern of inheritance. The initial discovery of [PSI+] was made in a strain auxotrophic for adenine due to a nonsense mutation. Despite many years of effort, Cox could not identify a conventional mutation that was responsible for the [PSI+] trait. In 1994, yeast geneticist Reed Wickner correctly hypothesized that [PSI+] as well as another mysterious heritable trait, [URE3], resulted from prion forms of the normal cellular proteins, Sup35p and Ure2p, respectively. The names of yeast prions are frequently placed within brackets to indicate that they are non mendelian in their passage to progeny cells, much like plasmid and mitochondrial DNA. Further investigation found that [PSI+] is the result of a self propagating misfolded form of Sup35p (a 201 amino acid long protein), which is an important factor for translation termination during protein synthesis. In [PSI+] yeast cells the Sup35 protein forms filamentous aggregates known as amyloid. The amyloid conformation is self propagating and represents the prion state. Amazingly distinct prion states exist for the Sup35 protein with distinct properties and these distinctions are self propagating. Other prions also can form distinct different variants (or strains). An important finding by Chernoff, in a collaboration between the Liebman and Lindquist laboratories, was that a protein chaperone was required for [PSI+] to be maintained. Because the only function of chaperones is to help proteins fold properly, this finding strongly supported Wickner's hypothesis that [PSI+] was a heritable protein state (i. e. a prion). Likewise, this finding also provided evidence for the general hypothesis that prions, including the originally proposed mammalian PrP prion, are heritable forms of protein. Because of the action of chaperones, especially Hsp104, proteins that code for [PSI+] and [URE3] can convert from non prion to prion forms. For this reason, yeast prions are good models for studying factors like chaperones that affect protein aggregation. Also, the IPOD is the sub cellular site to which amyloidogenic proteins are sequestered in yeast, and where prions like [PSI+] may undergo maturation. Thus, prions also serve as substrates to understand the intracellular processing of protein aggregates such as amyloid. Laboratories commonly identify [PSI+] by growth of a strain auxotrophic for adenine on media lacking adenine, similar to that used by Cox et al. These strains cannot synthesize adenine due to a nonsense mutation in one of the enzymes involved in the biosynthetic pathway. When the strain is grown on yeast extract/dextrose/peptone media (YPD), the blocked pathway results in buildup of a red colored intermediate compound, which is exported from the cell due to its toxicity. Hence, color is an alternative method of identifying [PSI+] [PSI+] strains are white or pinkish in color, and [psi ] strains are red. A third method of identifying [PSI+] is by the presence of Sup35 in the pelleted fraction of cellular lysate. When exposed to certain adverse conditions, in some genetic backgrounds [PSI+] cells actually fare better than their prion free siblings; this finding suggests that the ability to adopt a [PSI+] prion form may result from positive evolutionary selection. It has been speculated that the ability to convert between prion infected and prion free forms acts as an evolutionary capacitor to enable yeast to quickly and reversibly adapt in variable environments. Nevertheless, Reed Wickner maintains that [URE3] and [PSI+] are diseases, although this claim has been challenged using theoretical population genetic models.

[PIN+] / [RNQ+]

Термин [PIN+] был предложен Либманом и его коллегами из Psi INducibility для описания генетической потребности в формировании приона [PSI+]. Они показали, что [PIN+] необходим для индукции большинства вариантов приона [PSI+]. Позже они идентифицировали [PIN+] как прионную форму белка RNQ1. Более точное название [RNQ+] иногда используется сейчас, поскольку другие факторы или прионы также могут проявлять фенотип, индуцирующий Psi. Неприоновая функция Rnq1 окончательно не установлена. Хотя причины этого недостаточно изучены, предполагается, что агрегаты [PIN+] могут служить "затравками" для полимеризации [PSI+] и других прионов. Основой приона [PIN+] является амилоидная форма Rnq1, организованная в параллельные бета-листы, подобно амилоидной форме Sup35. Благодаря схожему амилоидному строению, прион [PIN+] может способствовать формированию [PSI+] посредством механизма шаблонирования. Были созданы две модифицированные версии Sup35, способные индуцировать PSI+ в отсутствие [PIN+] при сверхэкспрессии. Одна версия была получена путем расщепления гена рестрикцией ферментом Bal2, что приводит к образованию белка, состоящего только из M- и N-фрагментов Sup35. Другая представляет собой слияние Sup35NM с HPR, человеческим белком мембранного рецептора.

Эпигенетика

Прионы функционируют как альтернативная форма неменделевского, фенотипического наследования благодаря их способности к самовоспроизведению. Это делает прионы метастабильным, доминантным механизмом наследования, который зависит исключительно от конформации белка. Многие белки, содержащие прионные домены, участвуют в экспрессии генов или связывании РНК, что объясняет, как альтернативная конформация может приводить к фенотипическому разнообразию. Например, [psi] состояние Sup35 у дрожжей является фактором прекращения трансляции. Когда Sup35 претерпевает конформационное изменение в [PSI+] прионное состояние, он образует амилоидные фибриллы и секвестрируется, что приводит к более частому "считыванию" стоп-кодонов и развитию новых фенотипов. Обнаружено более 20 прионоподобных доменов у дрожжей, что создает возможность для значительного разнообразия в пределах одной протеомы. Предполагается, что это увеличение разнообразия дает отбираемое преимущество популяции генетически однородных дрожжей.