La levadura común es capaz de adaptarse y prosperar en respuesta a un aumento a largo plazo de la temperatura cambiando la forma, ubicación y función de algunas de sus proteínas. Los sorprendentes hallazgos demuestran la plasticidad no apreciada en el nivel molecular y conformacional de proteínas yllevar el poder de la biología molecular a la respuesta del organismo al cambio climático. Los resultados del laboratorio Zhou en el Instituto Buck en colaboración con el laboratorio Si del Instituto Stowers se publican en célula molecular .
La temperatura es un parámetro inestable en la naturaleza, que afecta casi todos los aspectos de la vida al modificar la estabilidad de las proteínas y la velocidad del metabolismo. Chuankai "Kai" Zhou, PhD, investigador principal del Buck Institute Fellow del estudio, dice que la investigación anterior proporciona un amplio conocimientosobre cómo los aumentos agudos a corto plazo en la temperatura deforman las proteínas, revelando cómo las células responden a tales desafíos regulando al alza las chaperonas moleculares y otras proteínas de respuesta al estrés para replegar / degradar estas proteínas mal dobladas a fin de ayudar a las células no preparadas a sobrevivir a cambios repentinos en su entorno., Zhou dice que se desconoce en gran medida si las células continuarán este ciclo de degradación / plegamiento incorrecto de las proteínas cuando el aumento de temperatura se convierta en un desafío a largo plazo.
"Esta es una pregunta crítica ya que el cambio climático y el calentamiento global plantean un aumento de temperatura que se extenderá durante generaciones para la mayoría de las especies que viven actualmente en la tierra", dijo. "Comprender cómo y si los organismos están preparados para un período tan largoEl calentamiento global a nivel molecular es fundamental para que podamos abordar el futuro de nuestro ecosistema ".
En este estudio, los investigadores de Buck siguieron y compararon la levadura cultivada a temperatura ambiente con las células cultivadas a 95 grados Fahrenheit 35 grados Celsius durante más de 15 generaciones. La temperatura más alta inicialmente dio como resultado la respuesta al estrés bien documentada observada conaumento de temperatura a largo plazo o choque térmico, incluida la agregación de proteínas y una mayor expresión de chaperonas protectoras. Después de que la levadura creció a alta temperatura durante algunas generaciones, los investigadores vieron que las células se recuperaban y su tasa de crecimiento se aceleraba gradualmente. Después de 15 generaciones, los agregados de proteínas desaparecierony muchos reguladores de estrés agudo volvieron a los niveles de expresión basales. La secuenciación del genoma completo no encontró mutaciones genéticas. Zhou dice que de alguna manera la levadura se adaptó al desafío de la temperatura.
Utilizando la detección de imágenes no sesgada y el análisis de imágenes basado en el aprendizaje automático, los científicos analizaron millones de células para todo el proteoma de levadura y encontraron cientos de proteínas que cambiaron sus patrones de expresión, incluida la abundancia y las localizaciones subcelulares, después de que las células se adaptaran a las temperaturas más altas.. "Curiosamente, las proteínas que tienden a doblarse mal por el estrés agudo redujeron su expresión después de que la levadura se aclimata al nuevo ambiente", dijo Zhou. "Esto sugiere que una posible estrategia para evitar el ciclo de plegado incorrecto / replegamiento bajo un desafío de temperatura persistente implicaríareduciendo la carga de proteínas termolábiles ". Zhou dice que la localización subcelular es un determinante de la función de la proteína. Las proteínas cambian su distribución subcelular bajo un cambio persistente de temperatura para protegerse de la inestabilidad térmica o para realizar nuevas funciones como compensación por la reducción de otrasproteínas termolábiles, o ambas.
"Los cambios más emocionantes e inesperados ocurren en el nivel submolecular de las proteínas", dijo Zhou, "Una vez que la levadura 'se dio cuenta' de que el estrés por calor era a largo plazo, cambiaron mucho. Algunas de sus proteínas cambiaron de conformación forma. El paradigma actual de la investigación de la función de genes y proteínas se ha construido sobre la creencia de que una proteína tiene UNA estructura final. Demostramos que ese no es el caso, al menos para algunas de las proteínas que respondieron al cambio de temperatura ".
Este descubrimiento proviene de una nueva línea de selección proteómica-estructural desarrollada por Zhou y sus colegas que les permitió identificar muchas proteínas que adoptaron una forma o conformación alternativa después de que la levadura se aclimatara a su nuevo entorno. Es importante destacar que estos cambios en la conformación de proteínas no fueroncausadas por mutaciones genéticas y la mayoría de ellas tampoco dieron como resultado modificaciones postraduccionales. Usando Fet3p, una glicoproteína que contiene múltiples copas, como ejemplo, los investigadores encontraron que la proteína cambiaba de ubicación a lo largo de las generaciones, pasando del retículo endoplásmico almembrana celular durante la aclimatación térmica. "Lo más sorprendente es que la conformación de la proteína también es diferente. También cambia las proteínas que interactúan", dijo Zhou.
Al verificar las interacciones proteína-proteína y las funciones moleculares asociadas, los investigadores encontraron que Fet3p, producido a diferentes temperaturas, tiene funciones distintas en diferentes compartimentos celulares. Zhou dice que la aclimatación térmica cambió el plegamiento y la función de la proteína, permitiendo que un polipéptido adopteestructuras múltiples y funciones de la luz de la luna de acuerdo con el entorno de crecimiento ". Estos resultados juntos muestran la plasticidad del proteoma y revelan estrategias desconocidas previas disponibles para organismos que enfrentan desafíos de temperatura a largo plazo. Para organismos simples como la levadura, que tiene un empalme alternativo muy limitado, talesLa plasticidad del proteoma, o el plegamiento alternativo de proteínas inducido por las condiciones ambientales, permite que este organismo sobreviva en una gama sorprendentemente amplia de hábitats hostiles ".
Aunque está entusiasmado con el descubrimiento de una estrategia codificada por la evolución que permite que la levadura se adapte a diferentes temperaturas, Zhou señala que no se puede asumir la resiliencia. "Sabemos que hay un límite para la plasticidad: por encima de cierta temperatura, la levadura morirá.Nuestra esperanza es que este trabajo permita los esfuerzos para aprender de la madre naturaleza sobre cómo los organismos se adaptan a los cambios climáticos mediante la implementación de la plasticidad codificada de sus proteínas. Algunas especies han pasado por múltiples series de cambios climáticos en la historia de la Tierra y sus genomas / proteomas puedenhan aprendido a soportar estos cambios. Al mismo tiempo, muchas especies son nuevas en los cambios climáticos y es muy probable que estén en riesgo de extinción debido al calentamiento global actual. Nos complace contribuir a las preguntas urgentes a nivel molecular y damos la bienvenida a las colaboraciones. "
Zhou seguirá investigando los detalles moleculares de los cambios dentro de las células durante el cambio de temperatura a largo plazo y planea incluir animales simples en su exploración de la plasticidad de las proteínas. También estudiará el impacto que el cambio de temperatura tiene en el envejecimiento.
Nuestros genes dan forma a nuestras bacterias intestinales, según muestra una nueva investigación
Las ratas prefieren ayudar a su propia especie; los humanos pueden estar conectados de manera similar
Metano en las plumas de la luna Encelado de Saturno: ¿Posibles signos de vida?
¿Se acerca la contaminación plástica mundial a un punto de inflexión irreversible?
El fósil de 'Dragon Man' puede reemplazar a los neandertales como nuestro pariente más cercano