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朊蛋白对野生酵母存活和进化起关键作用

发布时间:2019-03-12 00:42:36 编辑:笔名

朊蛋白让酵母获得生存优势,图片来自 Gene Cox/SPL/Getty。

产生人类“疯牛病”即变异型库贾氏症(variant CJD)的变态蛋白质,朊蛋白(prion,译者注:也常译作朊病毒),也表现出它们有益的一面。科学家近发现一种新形式的朊蛋白,它快速发生进化从而给生物提供第三种适应潜在的致命性环境的方法。更为重要的是,它不涉及DNA的遗传改变,也不涉及DNA的表观遗传改变。

传统观点认为新的性状只能在DNA本身以某种形式发生变化的情况下进化出来。实现这种改变的传统方法就是让遗传密码发生本身突变。近,研究人员已发现分子能够结合到DNA上,阻止DNA序列的某些部分被读取,从而通过一种称作表观遗传的过程产生遗传变化。

但是酵母居然打破成规。在生存比较恶劣的条件下,它能够立即从DNA中产生上百种全新的有望拯救生命的蛋白,而且完全不用任何方式改变基因。相反,酵母改变基因被读取的方式。这种微小的真菌将一种称作Sup35的特殊蛋白转变为朊蛋白。

正常条件下,Sup35在细胞的蛋白生产线上发挥着重要作用。它确保细胞内核糖体在生产某种蛋白的合适时机开始和终止读取RNA链。

当Sup35转变为朊蛋白后,它不再发挥这种作用。由于这种蛋白质量控制缺失,当完整的基因序列在核糖体内传送时,它就全部被读取,包括通常忽略的RNA区段,从而产生新的蛋白质。

结果就是酵母产生很多全新的蛋白,同时不以任何方式改变它的DNA。在这些新蛋白混合物中可能存在一些对酵母存活至关重要的蛋白。

2004年,来自美国麻州剑桥白头生物医学研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)的Susan Lindquist在研究实验室培养的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中次观察到这种她称作“组合进化(combinatorial evolution)”的过程。

她说,“我们一直说这是非常不错的发现,也是一种几年内就可产生新性状的方法,但是其他人说它是实验室酵母患上的一种疾病。”

如今,她通过确信无疑地展现这种同样过程在自然中也发生来证明这些怀疑是错误的。在她和她的同事们研究的700种天然酿酒酵母菌株中,她在255种菌株中观察到这种过程发挥着作用。

Lindquist说,在恶劣的环境---比如氧气稀缺或者异常酸性--中培养这些酵母菌株,然而让存活者接触破坏朊蛋白的化学物。她发现很多菌落发生萎缩,这表明朊蛋白维持它们的竞争优势。

更重要的是,在酵母交配时,朊蛋白能够遗传,因此子细胞也将制造同样的一套存活蛋白(survivor protein)。

朊蛋白对野生酵母存活和进化起关键作用

Lindquist说,“首要的是,它是一种适应性策略。它是获得新[物理性状]的好方法。”

Lindquist说,对产生的新蛋白而言,它们甚至还可能通过遗传密码突变的方法与基因组“连通”在一起,不过这一点她迄今为止还未观察到。

其他的研究人员也对此留下深刻影响。来自美国亚特兰大乔治亚理工学院的Yury Chernoff说,“这一发现真是了不起。”Chernoff是之前质疑组合进化是实验室假象的研究人员之一。

Chernoff说,“这意味着‘蛋白突变’或者说朊蛋白在[有机体的物理特征]上有着巨大影响,因此不是所有的进化都是通过DNA变化而产生的。”

就目前而言,人们仍不清楚这种组合进化是酵母的一种怪异的生物学特征还是生命体的一种更为常见的事实,但是研究人员希望后者是实际情形。

来自美国密苏里州斯托瓦斯医学研究所(Stowers Institute for Medical Research)的Rong Li猜测,“朊蛋白可能在自然进化中非常好地发挥着重要作用。”而且他近发现酵母也可以通过染色体改组(chromosome shuffling)发生进化。(生物谷:towersimper编译)

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