Прионы играют важную роль в выживании и эволюции диких штаммов дрожжей

Прионы — белки, наиболее известные как причина "коровьего бешенства", — в природе часто используются дрожжами для получения полезных признаков. Более того, такие признаки могут передаваться последующим поколениям и в конечном итоге "встраиваться" в геном, способствуя эволюционным изменениям.

Более десяти лет назад в лабораторных исследованиях пекарских дрожжей было впервые обнаружено, что прионы могут вызывать наследуемые новые признаки. Ключевым открытием стало то, что некоторые белки могут спонтанно переключаться из нормальной формы в самовоспроизводящуюся прионную конформацию. Этот переход изменяет функцию белка, что может приводить к появлению новых признаков — как полезных, так и вредных. Сложный клеточный механизм обеспечивает деление реплицирующихся прионных шаблонов на фрагменты, которые передаются дочерним клеткам при делении. Важно, что скорость переключения белков в прионное состояние и обратно возрастает в ответ на стресс окружающей среды, что указывает на их роль во врождённом механизме выживания, помогающем дрожжам адаптироваться к изменениям.

Однако биологическая значимость этого белкового механизма наследования оставалась предметом споров по одной ключевой причине: способные изменять фенотипы прионы никогда не находили в природе. До настоящего момента.

Учёные из Института Уайтхеда протестировали почти 700 диких штаммов дрожжей, изолированных из разных сред, на наличие известных и неизвестных прионных элементов. Прионы были обнаружены в трети всех штаммов. Все они способны создавать разнообразные новые признаки, почти половина из которых оказалась полезной. Эти неожиданные результаты, опубликованные в журнале Nature, служат веским доказательством против распространённого мнения, что прионы — это просто "болезни" дрожжей или редкие артефакты лабораторного культивирования.

"Огромные усилия были вложены в изучение этого меняющего парадигму способа наследования, но без реального понимания, действительно ли он важен биологически. Теперь ясно, что они влияют на то, как природные дрожжи справляются с изменяющейся средой и эволюционируют в ответ на стресс", — говорит Дэниел Ярош, соавтор статьи в Nature.

Поиск прионов в диких штаммах начался, когда Ярош и Рэндал Халфманн собрали сотни диких штаммов со всего мира. Химический скрининг на один хорошо изученный прион, [PSI+], выявил его в 10 диких штаммах. Генетические манипуляции подтвердили его статус истинного приона. Влияние [PSI+] на биологические признаки изучали, устраняя прионную конформацию в этих штаммах и подвергая их естественным стрессам (высокая кислотность, противогрибковые агенты). Например, в штамме, изолированном из вина Божоле, прион приводил к появлению признаков, которые могли быть полезными или вредными в зависимости от условий среды. Другой известный прион, [MOT3+], был найден в шести диких штаммах.

Чтобы выяснить, могут ли дикие дрожжи содержать другие неизвестные прионные элементы, все дикие штаммы подвергли химическому воздействию, которое выводило [PSI+] и [MOT3+] из прионного состояния. В общей сложности 255 штаммов продемонстрировали различные фенотипы под действием различных стрессоров после этого лечения.

"Мы, конечно, не ожидали увидеть такого разнообразия фенотипов на основе прионов. Это поразительно", — отмечает Ярош.

Ещё одним сюрпризом стало то, что примерно 40% признаков, создаваемых дикими прионами, оказались полезными для роста в дюжине различных тестируемых условий среды.

"То, как часто они оказываются полезными, говорит о том, что прионы уже подвергались предшествующему положительному отбору. Мы видим в них часть стратегии "хеджирования ставок", которая позволяет дрожжам быстро изменять свои биологические свойства, когда среда становится неблагоприятной", — говорит Сьюзан Линдквист.

Убеждённая в влиянии прионов на эволюцию дрожжей, Линдквист предполагает, что эти белки, меняющие форму, могут быть "остатками ранней жизни" — времени, когда наследование было преимущественно белковым, а не нуклеиново-кислотным. Она также предполагает, что прионы могут играть подобные роли и за пределами дрожжей, и её лаборатория намерена использовать аналогичные подходы для поиска прионной активности у других организмов.