Неожиданная пластичность протеома в ответ на стойкое повышение температуры

Обычные дрожжи способны адаптироваться и развиваться в ответ на длительное повышение температуры, изменяя форму, расположение и функцию некоторых из своих белков. Эти удивительные результаты демонстрируют недооцененную пластичность на молекулярном и конформационном уровне белков и привносят силу молекулярной биологии в реакцию организма на изменение климата. Результаты лаборатории Чжоу Института Бака в сотрудничестве с лабораторией Си Института Стоуэрса опубликованы в Молекулярная клетка.


Температура – нестабильный параметр в дикой природе, влияющий практически на все аспекты жизни, изменяя стабильность белка и скорость метаболизма. Сотрудник Института Бака Чуанкай «Кай» Чжоу, доктор философии, ведущий научный сотрудник исследования, говорит, что предыдущее исследование дает обширные знания о том, как резкое, краткосрочное повышение температуры приводит к неправильному свертыванию белков, показывая, как клетки реагируют на такие проблемы путем активации молекулярных шаперонов и других стрессов белки откликаются на рефолдинг / деградацию этих неправильно свернутых белков, чтобы помочь неподготовленным клеткам пережить внезапные изменения в их среде. Однако, по словам Чжоу, в значительной степени неизвестно, будут ли клетки продолжать этот цикл неправильной сворачивания-рефолдинга / деградации белков, когда повышение температуры становится долгосрочной проблемой.

«Это важный вопрос, поскольку изменение климата и вызывают повышение температуры, которое затронет поколения для большинства видов, живущих в настоящее время на Земле», – сказал он. «Понимание того, как и подготовлены ли организмы к такому долгосрочному глобальному потеплению на молекулярном уровне, имеет решающее значение для того, чтобы мы могли решить будущее нашей экосистемы».

В этом исследовании исследователи Бака проследили и сравнили дрожжи, культивируемые при комнатной температуре, с клетками, выращенными при температуре 95 градусов по Фаренгейту (35 градусов Цельсия) на протяжении более 15 поколений. Первоначально более высокая температура привела к хорошо документированной реакции на стресс, наблюдаемой в виде кратковременного повышения температуры (или теплового шока), включая агрегацию белков и повышенную экспрессию защитных шаперонов. После того, как дрожжи росли при высокой температуре в течение нескольких поколений, исследователи увидели, как клетки восстанавливаются и скорость их роста постепенно ускоряется. Через 15 поколений белковые агрегаты исчезли, и многие регуляторы острого стресса вернулись к исходным уровням экспрессии. Секвенирование всего генома не обнаружило генетических мутаций. Чжоу говорит, что дрожжи каким-то образом адаптировались к температурным условиям.

Используя объективный скрининг изображений и анализ изображений на основе машинного обучения, ученые проанализировали миллионы клеток для всего протеома дрожжей и обнаружили сотни белков, которые изменили свои паттерны экспрессии, включая численность и субклеточную локализацию, после того, как клетки адаптировались к более высоким температурам. «Интересно, что белки, которые, как правило, неправильно свертываются из-за острого стресса, снижают свою экспрессию после того, как дрожжи акклиматизируются в новой среде», – сказал Чжоу. «Это предполагает, что возможная стратегия, позволяющая избежать цикла неправильной укладки / рефолдинга при постоянной температуре, будет включать снижение нагрузки термолабильных белков». Чжоу говорит, что субклеточная локализация является определяющим фактором функции белка. Белки изменяют свое внутриклеточное распределение при постоянном изменении температуры, чтобы либо защитить себя от термической нестабильности, либо выполнять новые функции в качестве компенсации за снижение других термолабильных белков, либо и то, и другое.

«Самые захватывающие и неожиданные изменения происходят на субмолекулярном уровне белков, – сказал Чжоу. – Как только дрожжи« осознали », что тепловой стресс является долгосрочным, они сильно изменились. Некоторые из их белков изменили конформацию (форму). Нынешняя парадигма исследования функции ген- основана на убеждении, что белок имеет ОДНУ конечную структуру. Мы показываем, что это не так, по крайней мере, для некоторых белков, которые отреагировали на изменение температуры ».

Это открытие является результатом нового конвейера протеомно-структурного скрининга, разработанного Чжоу и его коллегами, который позволил им идентифицировать многие белки, которые приняли альтернативную форму или конформацию после того, как дрожжи адаптировались к новой среде. Важно отметить, что эти изменения конформации белка не были вызваны генетическими мутациями, и большинство из них также не привело к посттрансляционным модификациям. Используя в качестве примера Fet3p, гликопротеин, содержащий мультикопер, исследователи обнаружили, что белок менял местоположение на протяжении поколений, перемещаясь от эндоплазматического ретикулума к клеточной мембране во время термической акклиматизации. «Что наиболее удивительно, так это то, что конформация белка также отличается. Это также изменяет его взаимодействующие белки», – сказал Чжоу.

Проверяя белок-белковые взаимодействия и связанные с ними молекулярные функции, исследователи обнаружили, что Fet3p, продуцируемый при разных температурах, выполняет разные функции в разных клеточных компартментах. Чжоу говорит, что термическая акклиматизация изменила укладку и функцию белка, позволяя одному полипептиду принимать несколько структур и функций при лунном свете в зависимости от среды роста. «Эти результаты вместе показывают пластичность протеома и раскрывают ранее неизвестные стратегии, доступные для организмов, сталкивающихся с долгосрочными температурными проблемами. Для простых организмов, таких как дрожжи, которые имеют очень ограниченное альтернативное сплайсинг, такую ​​пластичность протеома или альтернативную укладку белков, индуцированную окружающей средой. условий, позволяет этому организму выжить в удивительно широком диапазоне суровых сред обитания “.

Будучи взволнованным открытием эволюционно закодированной стратегии, которая позволяет дрожжам адаптироваться к различным температурам, Чжоу отмечает, что нельзя допускать устойчивости. «Мы знаем, что есть предел пластичности – при превышении определенной температуры дрожжи погибнут. Мы надеемся, что эта работа позволит нам узнать у матери-природы о том, как организмы адаптируются к изменениям климата, реализуя закодированную пластичность своих белков. Некоторые виды пережили несколько циклов климатических изменений в истории Земли, и их геномы / протеомы, возможно, научились переносить такие изменения. В то же время многие виды плохо переносят климатические изменения и, скорее всего, находятся под угрозой исчезновения из-за это текущее глобальное потепление. Мы рады внести свой вклад в решение неотложных вопросов на молекулярном уровне и приветствуем сотрудничество ».

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments