سازگاری های قارچ با سرما، مرتبط با تغییرات ساختار پروتئین است

به گزارش سیناپرس، تنها مقدار معینی از استرس وجود دارد که ساختارهای بیولوژیکی می توانند قبل از از هم پاشیدن آنها را تحمل کنند. به عنوان مثال، مایعات بافتی هنگامی که در دمای زیر 3- درجه سانتیگراد قرار می گیرند به کریستال های یخ منجمد می شوند و آنزیم ها در دماهای بسیار پایین شکسته می شوند و ناکارآمد می شوند. اما موجوداتی هستند که برای رشد در چنین شرایط سختی ساخته شده اند. به عنوان مثال، برخی از گونه‌های قارچ‌ها می‌توانند در آب و هوای سخت قطب جنوب زنده بمانند و دانشمندان سال‌ها تلاش کرده‌اند تا بفهمند چگونه این امر انجام می شود. مطالعه‌ای که در Science Advances منتشر شد نشان می‌دهد که این موجودات قطبی ممکن است به دلیل تغییراتی در مناطق بدون ساختار پروتئین‌هایشان سازگار شده باشند.
نواحی ذاتاً بی نظم (IDRs) پروتئین ها بخش های بی شکل و مایع مانند پروتئین ها هستند که توانایی تا شدن به شکل عملکردی را ندارند و اغلب با RNA واکنش می دهند تا اندامک های سلولی بدون پوشش یا بدون غشاء مانند هسته را از طریق پدیده ای به نام جداسازی فاز مایع-مایع (LLPS) تشکیل دهند.
این مطالعه نشان می‌دهد که مخمرهایی که با سرمای سخت سازگار شده‌اند، تغییرات تکاملی را در IDRs تجربه کرده‌اند که نحوه جداسازی فاز را تغییر می‌دهد. محققان دریافتند که ساختار IDR ها در گونه هایی که با مناطق قطبی سازگار شده اند با مناطق معتدل متفاوت است.
محققان در حین مطالعه چگونگی رونویسی در سرما به این تفاوت ها برخورد کردند. آنها در حال تجزیه و تحلیل دو جزء اصلی سیستم رونویسی آنزیم چند زیر واحدی RNA پلیمراز II – دمین کربوکسی انتهایی (یک IDR) و Ess1 پرولیل ایزومراز – در پنج گونه مخمر سازگار با سرما و محیط نمکی جدا شده از قطب شمال و قطب جنوب بودند. متوجه شد که ساختار دمین انتهای کربوکسی گونه (CTD) کمی متفاوت از مخمر نوع مخمر مدل مخمر نانوایی (Saccharomyces cerevisiae) است.
در مخمر نانوایی، CTD از یک توالی پپتیدی تکرار شونده -YSPTSPS- تشکیل شده است، در حالی که توالی های تکرار شونده مخمرهای قطبی در موقعیت های یک، چهار و هفت متفاوت است. استیون هنس، یکی از نویسندگان این مطالعه، ژنتیک مولکولی در دانشگاه پزشکی SUNY Upstate در نیویورک، می گوید که توالی تکراری در گروه های وسیعی از حیات مشترک است و حتی در انسان ها نیز تقریباً یکسان است، بنابراین این واگرایی در مخمرهای سازگار با سرما بسیار قابل توجه بود. او و همکارانش کنجکاو بودند که چرا CTD های مخمرهای قطبی چنین تفاوت هایی را نشان می دهند و متعجب بودند که آیا این CTD ها همچنان در مخمر نانوایی عمل می کنند یا خیر.
ابتدا هانس و همکارانش ژنی را که CTD مخمر نانوایی را کد می کند حذف کردند اما با حفظ پلاسمیدی که آنزیم Rpb1 (یک زیر واحد از RNA پلیمراز II) را بیان می کند که سلول میزبان را زنده نگه می داشت، CTD را دست نخورده نگه داشت. سپس ژن CTD مخمرهای قطبی را در پلاسمید شبیه سازی کردند و آن را به مخمرهای نانوایی منتقل کردند. آنها این کار را برای آزمایش اینکه آیا CTD واگرا هنگام جفت شدن با ناحیه ساختار یافته RNA پلیمراز II در مخمر نانوایی کار می کند یا خیر، انجام دادند. این روش در دمای 18 درجه سانتی گراد و 30 درجه سانتی گراد برای تعیین اثرات دماهای سردتر انجام شد.
هانس توضیح می‌دهد که اگر ژن CTD شبیه‌سازی‌شده با میزبان سازگار باشد، پلاسمید اصلی را از سلول میزبان به نفع پلاسمید جدید خارج می‌کند. درجه از بین رفتن نسخه های اصلی تخمینی از درجه سازگاری پلاسمید شبیه سازی شده با گونه های مدل ارائه می دهد.
مخمر نانوایی به خوبی در دمای 30 درجه سانتی گراد پلاسمید خود را با مخمرهای قطبی مختلف جایگزین کرد. اما در دمای 18 درجه سانتی‌گراد، مخمر نانوایی حاوی CTD از قارچ‌های قطبی Wallemia ichthyophaga، Aureobasidium pullulans و Hortaea werneckii به ترتیب تنها در مقادیر 0.2، 13.6 و 21.5 درصد از بین رفت، در حالی که مخمرهایی که حاوی CTDs قارچ Dioxiicaostar و قارچ‌های Naganishia vishniacii هستند که هیچ یک از پلاسمیدهای اصلی را از دست نداد. در مقابل، گروه کنترل 58 درصد و 87 درصد از پلاسمید اصلی را به ترتیب در دمای 18 و 30 درجه سانتی گراد از دست داد. محققان گزارش می دهند که CTD مخمرهای قطبی در مخمر نانوایی در دمای 18 درجه سانتی گراد کار نمی کند.
هانس می گوید که او مشکوک است که این تفاوت ها ممکن است ناشی از مکانیسم های LLPS باشد، زیرا مطالعه قبلی نشان داد که CTD ها می توانند تحت این فرآیند قرار گیرند. بنابراین تیم بررسی کردند که آیا CTD های مخمر سازگار با سرما نیز می توانند دچار این پدیده شوند.
محققان CTD های قطبی را به پروتئین های خالص شده در یک لوله آزمایش متصل کردند و LLPS را با مشاهده کدورت محلول، شواهدی مبنی بر وقوع LLPS، در دماها و سطوح مختلف شوری بررسی کردند. هانس و تیمش مشاهده کردند که CTD های این مخمرهای قطبی تحت جداسازی فازی قرار می گیرند، اما آنها این کار را متفاوت از مخمر نانوایی انجام می دهند. آنها متوجه شدند که CTD گونه هایی که بیشترین سازگاری با S. cerevisiae را در دمای 18 درجه سانتیگراد داشتند، LLPS بالایی از خود نشان دادند، در حالی که آنهایی که سازگار نبودند هیچ کدام را نشان ندادند. محققان این ویژگی‌های متفاوت را به واگرایی در توالی اسیدهای آمینه CTDs نسبت دادند و فرض می‌کنند که این واگرایی ممکن است باعث افزایش تحمل سرما و نمک در گونه‌های قطبی شود.
هانس می‌گوید که نواحی ذاتاً بی‌نظم پروتئین با توالی‌های متغیرتر بسیار سازگار با فشارهای انتخابی است که خواص بیوفیزیکی نحوه تقسیم‌بندی پروتئین‌ها در سلول‌ها را تغییر می‌دهد. و این انطباق می تواند نحوه، زمان و مکان جداسازی فاز آنها را تغییر دهد.
هانس می‌گوید: ما می‌دانیم که استرس می‌تواند باعث جداسازی فاز توسط پروتئین‌های خاص شود، اما آنچه ما پیشنهاد می‌کنیم این است که تنظیم محیطی جداسازی فاز به موجودات اجازه می‌دهد تا دما و سایر شرایط شدید را تحمل کنند.
هانس می گوید که این مطالعه بیشتر سؤالات را کشف کرده است تا پاسخ سوال ها را، اما تیم در نظر دارد بسیاری از آنها را حل کند، از جمله مکانیسم دقیقی که از طریق آن ویژگی های جداسازی فاز تحمل محیطی را ایجاد می کند، زیرا این می تواند به سایر میکروارگانیسم ها کمک کند تا در شرایط سخت و متغیر آب و هوایی زنده بمانند.

منبع: the-scientist.com
مترجم: کیانوش کرمی