Избыточность и роль числа копий белка в механизме поляризации клеток почкующихся дрожжей

Nature Communications, том 14, номер статьи: 6504 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Как может самоорганизующаяся клеточная функция развиваться, адаптироваться к возмущениям и приобретать новые подфункции? Чтобы добиться прогресса в ответах на эти основные вопросы эволюционной клеточной биологии, мы проанализируем в качестве конкретного примера механизм клеточной полярности Saccharomyces cerevisiae. Этот клеточный модуль демонстрирует удивительную устойчивость: он сохраняет работоспособность при генетических нарушениях и быстро и воспроизводимо восстанавливается после удаления одного из своих ключевых компонентов. Используя сочетание моделирования, концептуальной теории и экспериментов, мы предполагаем, что множественные избыточные механизмы самоорганизации сосуществуют внутри белковой сети, лежащей в основе поляризации клеток, и отвечают за устойчивость и адаптивность модуля. Основываясь на нашем механистическом понимании установления полярности, мы предполагаем, что каркасные белки, вводя новые связи в существующую сеть, могут увеличивать избыточность механизмов и, таким образом, увеличивать возможность развития других компонентов сети. Более того, наша работа дает представление о том, как сложный, избыточный клеточный модуль мог развиться из более рудиментарной наследственной формы.

Биологические системы самоорганизуются. Их функция возникает в результате коллективного взаимодействия многих компонентов, управляемого физическими и химическими процессами. Как такие коллективные (самоорганизованные) функции развиваются и адаптируются к сильным возмущениям, таким как потеря важных компонентов1,2?

Ярким примером такой адаптации является механизм поляризации клеток Cdc42 S. cerevisiae (почкующиеся дрожжи). Поляризация клеток направляет деление клеток почкующихся дрожжей посредством образования на мембране полярной зоны с высокой концентрацией Cdc42 (см. рис. 1а–в). После нокаута Bem1, ключевого игрока в сети взаимодействия Cdc42 (рис. 1d), клетки восстанавливают способность поляризоваться и делиться за счет потери другого компонента этой сети. Это происходит быстро (в течение 100 поколений) и воспроизводимо3. Как работает это восстановление, осталось неясным.

a Начиная с первоначально гомогенного распределения Cdc42, формируется полярная зона, отмеченная высокой концентрацией активного Cdc42 на плазматической мембране. Существует два пути направленного транспорта в клетках: b Цитозольный диффузионный поток, управляемый градиентом концентрации, который поддерживается пространственно разделенными зонами прикрепления (красная стрелка) и отсоединения (синяя стрелка); в Транспорт везикул (эндоцитарный рециклинг) осуществляется по полярно-ориентированным актиновым кабелям. Активный Cdc42 направляет как цитозольную диффузию (путем рекрутирования нижестоящих эффекторов, которые, в свою очередь, рекрутируют Cdc42), так и транспорт везикул (путем рекрутирования Bni1, который инициирует полимеризацию актина). d Сеть молекулярного взаимодействия вокруг GTPase Cdc42, включающая регуляторы активности (GEF, GAP) и каркасный белок Bem1 (некоторые компоненты отображаются несколько раз для визуальной ясности, а не в хронологическом порядке). Эффективный термин рекрутирования объясняет рекрутирование Cdc42 на мембрану, направляемое Cdc42-GTP, которому способствуют партнеры по взаимодействию Cdc42, например Cla413,31,73 и Rsr186 (e). Подробности модели и математическая реализация описаны в разделе «Методы» и дополнительном примечании 1. Для простоты мы не учитываем явно Cdc42-эффекторные комплексы. Расширение модели, учитывающее эти комплексы, существенно не изменило результаты.

Поляризация клеток у почкующихся дрожжей организована сложной сетью взаимодействий (рис. 1d) вокруг белка центральной полярности Cdc42. Cdc42 представляет собой ГТФазу, которая циклически переключается между активным (связанным с ГТФ) и неактивным (связанным с ВВП) состояниями. Ключевыми особенностями этих двух состояний являются то, что активный Cdc42 прочно связан с мембраной и привлекает множество нижестоящих факторов, тогда как неактивный Cdc42-GDP может отделяться от мембраны в цитозоль, где он свободно диффундирует.