Существует лишь определенное количество нагрузок, которые могут выдержать биологические структуры, прежде чем они разрушатся.
Например, при температуре ниже -3 °C тканевые жидкости замерзают в кристаллы льда, а ферменты разрушаются и при экстремально низких температурах становятся нефункциональными. Но есть организмы, которые созданы для процветания в таких суровых условиях. Некоторые виды грибков, например, могут выживать в суровых погодных условиях Антарктиды, и ученые потратили годы на то, чтобы выяснить, как это происходит. Исследование, опубликованное 7 сентября в журнале Science Advances, предполагает, что эти полярные организмы могли адаптироваться благодаря изменениям в неструктурированных областях их белков.
Протяженные неупорядоченные участки (IDRs ) белков - это бесформенные, жидкообразные части белков, которые не способны складываться в функциональную форму и часто вступают в реакцию с РНК, образуя голые, или безмембранные, клеточные органеллы, такие как нуклеолы, посредством явления, известного как фазовое разделение жидкость-жидкость (LLPS). Исследование показывает, что у дрожжей, адаптированных к суровому холоду, произошли эволюционные изменения в IDR, которые меняют способ разделения фаз. Исследователи обнаружили, что структура IDR у видов, адаптированных к полярным регионам, отличается от тех, которые обитают в умеренных районах.
Авторы наткнулись на эти различия, изучая, как происходит транскрипция на холоде. Они анализировали два основных компонента транскрипционной системы мультисубъединичного фермента РНК-полимеразы II - карбокси-терминальный домен (IDR) и пролил-изомеразу Ess1 - у пяти адаптированных к холоду и соли видов дрожжей, выделенных из Арктики и Антарктики, когда заметили, что структура карбокси-терминального домена (CTD) этих видов немного отличается от структуры карбокси-терминального домена модельных пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae).
У пекарских дрожжей CTD состоит из повторяющейся пептидной последовательности-YSPTSPS, в то время как у полярных дрожжей повторяющиеся последовательности расходятся в первом, четвертом и седьмом положениях. Соавтор исследования Стивен Ханес, молекулярный генетик из Медицинского университета SUNY Upstate в Нью-Йорке, говорит, что повторяющаяся последовательность является общей для огромного количества живых организмов и практически идентична даже у человека, поэтому такое расхождение в адаптированных к холоду дрожжах было "чрезвычайно значимым". Ему и его коллегам было интересно узнать, почему CTD полярных дрожжей проявляют такие различия, и задаться вопросом, будут ли эти CTD по-прежнему функционировать в пекарских дрожжах.
Сначала Ханес с коллегами удалили ген, кодирующий CTD пекарских дрожжей, но сохранили CTD в целости, сохранив плазмиду, экспрессирующую фермент Rpb1 (субъединицу РНК-полимеразы II), который поддерживал жизнь клетки-хозяина. Затем они клонировали ген CTD полярных дрожжей в плазмиду и перенесли его в пекарские дрожжи. Они сделали это, чтобы проверить, будет ли дивергентный CTD работать в паре со структурированной областью РНК-полимеразы II пекарских дрожжей. Процедура проводилась при температуре 18 °C и 30 °C, чтобы определить влияние более низких температур. Ханес объясняет, что если клонированный ген CTD совместим с хозяином, то он вытеснит оригинальную плазмиду из клетки хозяина в пользу новой. Степень утраты оригиналов позволит оценить степень совместимости клонированной плазмиды с модельным видом.
Пекарские дрожжи довольно хорошо заменяли свою собственную плазмиду на плазмиды различных полярных дрожжей при температуре 30 °C. Но при 18 °C пекарские дрожжи, содержащие CTD арктических грибов Wallemia ichthyophaga, Aureobasidium pullulans и Hortaea werneckii, потеряли только 0,2 %, 13,6 % и 21,5 %, соответственно, а дрожжи, содержащие CTD антарктических грибов Dioszegia cryoxerica и Naganishia vishniacii, не потеряли ни одной из исходных плазмид. Напротив, контрольные потеряли 58 и 87 % исходных плазмид при температурах 18 и 30 °C соответственно. Исследователи сообщают, что CTD из полярных дрожжей не работает в пекарских дрожжах при 18 °C. Ханес говорит, что он подозревал, что различия могут быть связаны с механизмами LLPS, поскольку предыдущее исследование показало, что CTD могут подвергаться этому процессу. Поэтому команда проверила, могут ли CTD из адаптированных к холоду дрожжей также подвергаться этому явлению.
Исследователи связали полярные CTD с очищенными белками в лабораторных условиях и проверили наличие LLPS, наблюдая за помутнением раствора - свидетельством того, что LLPS происходит - при различных температурах и уровнях солености. Ханес и его коллеги заметили, что CTD этих полярных дрожжей действительно подвергаются фазовому разделению, но делают это иначе, чем пекарские дрожжи. Они заметили, что CTD видов, которые были наиболее совместимы с S. cerevisiae при 18 °C, демонстрировали высокий уровень LLPS, а те, которые были несовместимы, не демонстрировали никакого. Исследователи объяснили эти различия в свойствах расхождением в аминокислотной последовательности CTDs и предположили, что это расхождение может способствовать устойчивости к холоду и соли у полярных видов.
Ханес утверждает, что внутренне неупорядоченные области в белке с более изменчивыми последовательностями очень адаптивны к "селективному давлению, которое может изменить биофизические свойства того, как белки сортируются в клетках". И эта адаптация может изменить то, как, когда и где они подвергаются фазовому разделению. "Мы знаем, что стресс может вызвать фазовое разделение определенных белков, но мы предполагаем, что экологическая настройка фазового разделения позволяет организмам переносить температуру и другие экстремальные условия", - говорит Ханес.
Эми Гладфельтер, клеточный биолог из Университета Северной Каролины, изучающая фазовое разделение и не участвовавшая в данном исследовании, говорит, что полученные результаты "действительно говорят о том, что, изучая естественные вариации и ... то, как свободно живущие дрожжи могут адаптироваться к экстремальным температурам, а также к экстремальной солености, [исследовательская группа] может найти доказательства адаптации в последовательностях, которые важны для управления фазовым разделением".
Ханес сообщил, что исследование дало больше вопросов, чем ответов, но авторы намерены решить большинство из них, включая точный механизм, с помощью которого свойства фазового разделения обеспечивают устойчивость к окружающей среде, поскольку это может помочь другим микроорганизмам выжить в суровых и меняющихся климатических условиях.
