Неожиданная пластичность протеома в ответ на длительное повышение температуры

Обычные дрожжи способны адаптироваться и процветать в ответ на долгосрочное повышение температуры, изменяя форму, локализацию и функцию некоторых своих белков. Эти удивительные результаты демонстрируют недооцененную пластичность на молекулярном и конформационном уровне белков и применяют методы молекулярной биологии для изучения реакции организмов на изменение климата. Результаты лаборатории Чжоу из Института Бака в сотрудничестве с лабораторией Си из Института Стоуэрса опубликованы в Molecular Cell.

Температура — нестабильный параметр в дикой природе, влияющий почти на все аспекты жизни, изменяя стабильность белков и скорость метаболизма. Предыдущие исследования дали обширные знания о том, как острый, краткосрочный рост температуры денатурирует белки, и как клетки реагируют на такие вызовы, повышая регуляцию шаперонов и других стрессовых белков. Однако оставалось неизвестным, продолжат ли клетки этот цикл денатурации-ренатурации/деградации белков, когда повышение температуры становится долгосрочным вызовом.

В этом исследовании ученые сравнивали дрожжи, культивируемые при комнатной температуре, с клетками, выращенными при 95°F (35°C) более 15 поколений. Более высокая температура изначально вызвала хорошо документированный стрессовый ответ, включая агрегацию белков и повышенную экспрессию защитных шаперонов. После нескольких поколений при высокой температуре клетки восстановились, и скорость их роста постепенно увеличилась. Через 15 поколений белковые агрегаты исчезли, а многие регуляторы острого стресса вернулись к базовым уровням экспрессии. Полногеномное секвенирование не выявило генетических мутаций. Дрожжи каким-то образом адаптировались.

С помощью скрининга и анализа изображений на основе машинного обучения ученые проанализировали миллионы клеток и обнаружили сотни белков, изменивших свои паттерны экспрессии, включая количество и субклеточную локализацию, после адаптации к более высоким температурам. «Интересно, что белки, склонные к денатурации при остром стрессе, снизили свою экспрессию после акклиматизации дрожжей к новой среде», — сказал Чжоу. Это предполагает, что возможной стратегией избегания цикла денатурации/ренатурации является снижение нагрузки термолабильных белков. Изменение субклеточной локализации может защищать белки от термической нестабильности или позволять им выполнять новые функции.

«Самые захватывающие и неожиданные изменения происходят на субмолекулярном уровне белков», — сказал Чжоу. Как только дрожжи «осознали», что тепловой стресс долгосрочный, они сильно изменились. Некоторые их белки изменили конформацию (форму). Текущая парадигма исследований «ген-функция белка» построена на убеждении, что белок имеет ОДНУ окончательную структуру. Мы показываем, что это не так, по крайней мере, для некоторых белков, ответивших на изменение температуры.

Это открытие стало возможным благодаря новому конвейеру протеомно-структурного скрининга, который позволил идентифицировать множество белков, принявших альтернативную форму или конформацию после акклиматизации дрожжей. Важно, что эти изменения не были вызваны генетическими мутациями, и большинство из них также не сопровождалось посттрансляционными модификациями. Используя в качестве примера Fet3p (гликопротеин, содержащий несколько атомов меди), исследователи обнаружили, что белок изменил локализацию за поколения, переместившись из эндоплазматического ретикулума в клеточную мембрану. «Что самое удивительное, конформация белка также отличается. Он также меняет свои белки-партнеры», — сказал Чжоу.

Проверив белок-белковые взаимодействия и связанные молекулярные функции, исследователи обнаружили, что Fet3p, произведенный при разных температурах, выполняет различные функции в разных клеточных компартментах. Термическая акклиматизация изменила фолдинг и функцию белка, позволив одному полипептиду принимать несколько структур и выполнять разные функции в зависимости от среды роста.

«Эти результаты вместе демонстрируют пластичность протеома и раскрывают ранее неизвестные стратегии, доступные организмам, сталкивающимся с долгосрочными температурными вызовами. Для простых организмов, таких как дрожжи, у которых очень ограничен альтернативный сплайсинг, такая пластичность протеома, или альтернативный фолдинг белков, индуцированный условиями окружающей среды, позволяет этому организму выживать в удивительно широком диапазоне суровых сред».

Чжоу указывает, что устойчивость нельзя считать гарантированной: «Мы знаем, что у пластичности есть предел — выше определенной температуры дрожжи погибнут. Мы надеемся, что эта работа позволит научиться у Природы тому, как организмы адаптируются к изменениям климата, реализуя закодированную пластичность своих белков».