タンパク質構造の変化に関連する真菌の寒冷適応:研究

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Tここでは、生物学的構造がバラバラになる前に耐えられる一定量のストレスのみを示しています。 たとえば、組織液は-3 °C 未満の温度にさらされると氷の結晶に凍り、極低温では酵素が分解して機能不全になります。 しかし、そのような過酷な環境で繁栄するように構築された生物がいます。 たとえば、菌類の一部の種は南極の過酷な気候を生き抜くことができ、科学者たちはその方法を解明するために何年も費やしてきました。 9 月 7 日に Science Advances に掲載された研究は、これらの極地生物がタンパク質の構造化されていない領域への微調整により適応した可能性があることを示唆しています。

タンパク質の本質的に無秩序な領域 (IDR) は、機能的な形状に折り畳まれる能力を欠いているタンパク質の無形の液体のような部分であり、多くの場合、RNA と反応して核小体などの裸の、または膜のない細胞オルガネラを形成します。液液相分離 (LLPS)。

「これらのオルガネラには膜がない」を参照してください

この研究は、過酷な寒さに適応した酵母がIDRの進化的変化を経験したことを示しており、相分離の発生方法を変化させています。 研究者たちは、極地に適応した種の IDR の構造が温帯地域のものと異なることを発見しました。

研究者たちは、寒さの中で転写がどのように起こるかを研究しているときに、これらの違いに出くわしました. 彼らは、北極と南極から分離された 5 種類の低温および塩分耐性酵母で、RNA ポリメラーゼ II マルチサブユニット酵素の転写システムの 2 つの主要な構成要素であるカルボキシ末端ドメイン (IDR) と Ess1 プロリルイソメラーゼを分析していました。種のカルボキシ末端ドメイン (CTD) の構造が、モデル酵母種のパン酵母 (Saccharomyces cerevisiae) の構造とわずかに異なることに気付きました。

研究共著者のスティーブン・ヘインズの元同僚であるスティーブ・クラブエッシュは、2016年に南極のマクマード・ドライ・バレーにあるコモンウェルス氷河を歩いています。

スティーブン・ヘインズ

パン酵母では、CTD は反復ペプチド配列 (YSPTSPS) で構成されていますが、極性酵母の反復配列は 1、4、および 7 位で分岐しています。 研究の共著者であり、ニューヨーク州立大学アップステート医科大学の分子遺伝学者であるスティーブン・ヘインズは、反復配列は生命の広大なクレード間で共有されており、人間でもほぼ同一であるため、寒さに適応した酵母におけるこの相違は「非常に重要である. 」 彼と彼の同僚は、極性酵母の CTD がなぜそのような違いを示すのかに興味を持ち、これらの CTD がパン酵母でも機能するかどうか疑問に思いました。

まず、Hanes らは、パン酵母の CTD をコードする遺伝子を削除したが、宿主細胞の生存を維持する酵素 Rpb1 (RNA ポリメラーゼ II のサブユニット) を発現するプラスミドを保持することにより、CTD を無傷に保った。 次に、極性酵母のCTDの遺伝子をプラスミドにクローニングし、それをパン酵母に移した。 彼らは、分岐した CTD がパン酵母の RNA ポリメラーゼ II の構造化領域と対になったときに機能するかどうかをテストするためにこれを行いました。 この手順は、18 °C と 30 °C で実行され、低温の影響を判断しました。

Hanes は、クローン化された CTD 遺伝子が宿主と適合する場合、元のプラスミドを宿主の細胞から押し出し、新しいものを優先すると説明しています。 オリジナルが失われる程度から、クローン化されたプラスミドのモデル種との適合性の程度が推定されます。

パン酵母は、30 °C で自身のプラスミドをさまざまな極性酵母のプラスミドとかなりうまく置換しました。 しかし、18 °C では、北極真菌 Wallemia ichthyophaga、Aureobasidium pullulans、および Hortaea werneckii からの CTD を含むパン酵母は、それぞれ 0.2%、13.6%、および 21.5% しか失われませんでしたが、南極真菌 Dioszegia cryoxerica およびNaganishia vishniacii は元のプラスミドを失うことはありませんでした。 対照的に、コントロールは 18 °C と 30 °C でそれぞれ元のプラスミドの 58% と 87% を失いました。 研究者らは、極性酵母の CTD は 18 °C のパン酵母では機能しなかったと報告しています。

「バクテリアが飢饉の間に繁殖する方法」を参照してください。

ヘインズ氏は、以前の研究でCTDがプロセスを経る可能性があることを明らかにしたため、違いはLLPSのメカニズムに起因するのではないかと疑っていると述べています. そこでチームは、寒さに適応した酵母の CTD もこの現象を起こすことができるかどうかを調べました。

研究者らは、試験管内で極性CTDを精製タンパク質と結合させ、さまざまな温度と塩分レベルで溶液の濁り(LLPSが発生した証拠)を観察することでLLPSをチェックしました。 ヘインズと彼のチームは、これらの極性酵母の CTD が相分離を起こすことを観察しましたが、パン酵母とは異なる方法で行います。 彼らは、18 °C で S. cerevisiae と最も適合した種の CTD が高い LLPS を示したのに対し、適合しなかった種の CTD はまったく示さなかったことに気付きました。 研究者らは、これらの異なる特性は CTD のアミノ酸配列の相違によるものであると考えており、この相違が極地種の耐寒性と耐塩性を促進する可能性があると仮定しています。

ヘインズは、より可変性の高い配列を持つタンパク質の本質的に無秩序な領域は、「タンパク質が細胞内でどのように分類されるかという生物物理学的特性を変化させる選択圧」に非常に適応していると言います。 そして、この適応により、相分離が起こる方法、時期、場所が変わる可能性があります。

「ストレスが特定説(推定)のタンパク質による相分離を誘発することはわかっていますが、私たちが示唆しているのは、相分離の環境調整により、生物は温度やその他の極端な条件に耐えることができるということです」とヘインズは言います。

ノースカロライナ大学の細胞生物学者で、相分離を研究していて、この新しい研究には参加していない Amy Gladfelter は、この結果は「自然の変化と . . . 自由生活酵母が極端な温度や極端な塩分にどのように適応するかについて、 [the research team] 相分離を促進するために重要なシーケンスで適応の証拠を見つけることができます。」

ヘインズ氏は The Scientist に対し、この研究では答えよりも多くの疑問が明らかになったと語っていますが、相分離特性が環境耐性を付与する正確なメカニズムを含め、チームはそれらのほとんどを解決するつもりです。これは、他の微生物が過酷で変化する気候条件を生き残るのに役立つ可能性があるためです。 .



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