与蛋白质结构变化相关的真菌冷适应

吨这里只有一定量的压力生物结构在它们崩溃之前可以承受。例如，组织液在低于-3°C的温度下会冻结成冰晶，并且酶会在极低的温度下分解并变得功能失调。但是有些生物体天生就可以在如此恶劣的条件下茁壮成长。例如，一些真菌物种可以在南极洲的恶劣天气中存活下来，科学家们花了数年时间试图弄清楚如何做到这一点。9月7日发表在《科学进展》(ScienceAdvances)上的一项研究表明，这些极地生物可能已经适应了它们蛋白质的非结构化区域。

蛋白质的本质无序区域(IDR)是蛋白质的无形液体部分，它们缺乏折叠成功能形状的能力，并且经常与RNA反应形成裸露的或无膜的细胞器，例如核仁液-液相分离(LLPS)。

参见“这些细胞器没有膜”

该研究表明，适应严寒的酵母经历了IDR的进化变化，这改变了相分离的发生方式。研究人员发现，适应极地地区的物种的IDR结构与温带地区的物种不同。

研究人员在研究转录如何在寒冷中发生时偶然发现了这些差异。他们正在分析RNA聚合酶II多亚基酶转录系统的两个主要成分——羧基末端结构域(IDR)和Ess1脯氨酰异构酶——在从北极和南极洲分离的五种适应寒冷和盐的酵母中，当他们注意到该物种的羧基末端结构域(CTD)结构与模型酵母物种面包酵母(Saccharomycescerevisiae)的结构略有不同。

在面包酵母中，CTD由重复肽序列YSPTSPS组成，而极地酵母的重复序列在位置1、4和7处不同。该研究的合著者、纽约州立大学上州医科大学的分子遗传学家StevenHanes说，重复序列在大量生命进化枝中共享，甚至在人类中也几乎相同，因此冷适应酵母中的这种差异“非常显着”。”他和他的同事很好奇为什么极地酵母的CTD会表现出这种差异，并想知道这些CTD是否仍会在面包酵母中发挥作用。

首先，Hanes及其同事删除了编码面包酵母CTD的基因，但通过保留表达酶Rpb1(RNA聚合酶II的一个亚基)的质粒来保持CTD完整，从而使宿主细胞保持活力。接下来，他们将极地酵母的CTD基因克隆到质粒中，并将其转移到面包酵母中。他们这样做是为了测试不同的CTD在与面包酵母中RNA聚合酶II的结构区域配对时是否会起作用。该程序在18°C和30°C下进行，以确定较冷温度的影响。

Hanes解释说，如果克隆的CTD基因与宿主相容，它们会将原始质粒从宿主细胞中推出，以支持新的质粒。原始质粒丢失的程度将估计克隆质粒与模型物种的相容程度。

在30°C时，面包酵母用各种极地酵母的质粒相当好地替换了它自己的质粒。但在18°C时，含有来自北极真菌Wallemiaichthyophaga、Aureobasidiumpullulans和Hortaeawerneckii的CTD的面包酵母分别仅损失了0.2%、13.6%和21.5%，而含有南极真菌Dioszegiacryoxerica和Naganishiavishniacii没有丢失任何原始质粒。相比之下，对照在18°C和30°C下分别损失了58%和87%的原始质粒。研究人员报告说，来自极地酵母的CTD在18°C时在面包酵母中不起作用。

Hanes说他怀疑这些差异可能源于LLPS的机制，因为之前的一项研究表明CTD可以经历这个过程。因此，该团队检查了来自冷适应酵母的CTD是否也会出现这种现象。

研究人员在试管中将极性CTD与纯化的蛋白质结合起来，并通过观察溶液在不同温度和盐度水平下的浑浊度(LLPS发生的证据)来检查LLPS。Hanes和他的团队观察到，这些极地酵母的CTD确实经历了相分离，但它们的做法与面包酵母不同。他们注意到，在18°C下与酿酒酵母最相容的物种的CTD表现出高LLPS，而那些不相容的物种则没有。研究人员将这些不同的特性归因于CTD氨基酸序列的差异，他们假设这种差异可能会促进极地物种的耐寒性和耐盐性。

Hanes说，蛋白质中具有更多可变序列的本质上无序的区域非常适应“选择压力，这种压力会改变蛋白质在细胞内分类的生物物理特性。”这种适应可以改变它们进行相分离的方式、时间和地点。

“我们知道压力可以诱导某些蛋白质发生相分离，但我们的建议是，相分离的环境调整可以让生物体耐受温度和其他极端条件，”Hanes说。

北卡罗来纳大学的细胞生物学家AmyGladfelter研究相分离，但没有参与这项新研究，她说，结果“确实表明，通过观察自然变异和...关于自由生活的酵母如何适应极端温度和极端盐度，[研究团队]可以找到对驱动相分离很重要的序列适应的证据。”

Hanes告诉TheScientist，这项研究发现的问题多于答案，但该团队打算解决其中的大部分问题，包括相分离特性赋予环境耐受性的确切机制，因为这可以帮助其他微生物在恶劣和不断变化的气候条件下生存.